分布式光纖測溫系統在電纜溫度監測中應用

肖愷等

摘 要： 針對目前電力電纜安全中突出的火災探測問題，提出了一種分布式光纖測溫系統，該系統采用光時域反射技術和拉曼散射測溫技術，由測溫主機、測溫光纜及CSM主機構成，具有極高的靈敏度和定位精度。通過光纜獲得電纜表面的溫度，傳遞到測溫主機中進行數據分析，并在CSM主機上顯示電纜溫度狀態與報警。為了證實分布式光纖測溫系統的有效性，在國內某隧道對該系統進行了溫度測量試驗，試驗結果證明，系統能準確地反應現場運行電力電纜的實際運行情況，及時發現和定位溫度異常點，當電纜表面溫度超過系統設置的預報警溫度值時，系統會立刻輸出報警信號，為電纜故障提供溫度預警功能，避免電力事故發生。

關鍵字： 拉曼散射； OTDR； 電力電纜； 分布式光纖測溫系統； 在線監測

中圖分類號： TN818?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0153?03

Abstract： In view of the present fire detection problems for power cable safety， a distributed fiber temperature detecting system is proposed in this paper. The optical time domain reflection technology and Raman scattering technique are adopted in the system， which is composed of temperature detection host computer， temperature detection cable and CSM host， and has high sensitivity and positioning accuracy. The surface temperature of power cable is got by the fiber cable， passed to the temperature detecting host computer for data analysis， and displayed the power cable temperature status and alarm on the CSM host. In order to verify the effectiveness of the distributed fiber temperature detecting system， a temperature detecting experiment was carried out in a domestic tunnel. The experimental results proved that the system can accurately response the real?time status of field running power cable， timely find and position the temperature abnormal points； when the cable surface temperature exceeds the preset warning temperature value， the system outputs an alarm signal immediately to avoid the accident of the power line.

Keywords： Raman scattering； OTDR； power cable； distributed fiber temperature detecting system； on?line monitoring

0 序 言

隨著我國城市化建設進程的推進，城市地下電纜（特別是XLPE高壓電力電纜）[1?2]規模的迅速擴大和電壓等級的不斷提高，電力運營的安全、可靠性問題日益突出，亟待有效的在線監測手段的出現。研究表明，溫度是表征電力電纜運行狀態的一個極其重要的參數，當電纜發生故障時，故障點附近的溫度會上升；當電纜運行負荷增加或減少時，電纜整體溫度值也隨之上升或下降，通過在線實時監測電力電纜的溫度值可以及時掌握其運行狀況，避免重大事故發生[3]。

分布光纖溫度測試系統具有可以連續的得到沿著探測光纜幾十千米的測量信息，誤報和漏報率低，且抗電磁干擾，本征安全，本征防雷、測量距離遠，適于遠程監控、靈敏度高，測量精度高、壽命長，成本低，系統簡單等優點，在最近幾年被迅速用于電纜溫度監測，有望成為電纜安全監控的首選的基礎檢測設備[4?6]。

1 分布式光纖測溫系統的技術原理

光纖分布式溫度傳感技術[7?11]是基于光子的拉曼散射溫度效應和光纖的光時域反射技術（OTDR）分別實現溫度檢測和溫度點定位。

當激光脈沖在光纖中傳輸過程中與光纖分子相互作用，會發生散射現象，這是因為光纖的非結晶材料在微觀空間的顆粒狀結構和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻所引起的，其中拉曼散射對溫度敏感，瑞利散射對溫度不敏感。布里淵散射對溫度和應力都敏感，容易受外界環境干擾，影響測量的準確度。拉曼散射是由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發生能量交換而產生的，包括斯托克斯光（Stokes光）與反斯托克斯光（Anti?Stokes光）。其中Stokes光強度與溫度有一定的關系，但受溫度的影響很小，可忽略不計，而Anti?Stokes光的強度隨溫度的變化而變化。Anti?Stokes光與Stokes光的強度之比提供了一個關于溫度的函數關系式?？赏ㄟ^分析得到二者的強度之比，就可以獲得對應光纖中某點的溫度值。此外，因為光纖具有一定的長度，且拉曼散射是產生在光纖中的每一個微觀點的，所以如何確定探測到的拉曼散射在光纖中發生的位置就需要甬道光時域反射技術。如圖1所示。

光時域反射技術（OTDR）最初用于評價光學通信系統中光纖、光連接器等的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的有效手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎。光源發射出一系列的激光脈沖進入光纖后，在光纖中產生背向散射。通過獲得背向散射光信號與發射光脈沖信號的時間差[⊿t]，并且光信號在光纖中傳播的速度vg是常數，因此可以確定此散射光信號產生點距離激光脈沖入射點的距離為[z=vg·⊿t2]。通過這種方法可以在整根連續的光纖上以距離的連續函數形式得到光纖中各點的溫度數據。如圖2所示。

2 系統組成

分布式光纖測溫系統主要包括測溫主機、測溫光纜及CSM主機組成。

（1） 測溫主機。分布式光纖測溫系統測溫主機由內置激光器、濾波器、高速數據采集與處理單元等組成，可實現電力電纜表面溫度信息的采集、處理，并且輸出溫度報警信息。其安裝于監控室內。

（2） 測溫光纜。測溫光纜既作為溫度傳感器探測電纜表面的溫度信息，又作為通信媒介傳輸信息。其敷設并固定在電力電纜的表面。

（3） CSM主機。CSM主機通過網絡與測溫主機連接進行通信。CSM主機內嵌入CSM軟件，該軟件可實現對報警參數、監測區域劃分、通信參數等測溫主機參數的設置；采集電纜表面的溫度數據并在屏幕中以溫度曲線的形式顯示；計算電纜導體的溫度數據；輸出報警信息等。CSM主機是安裝于監控室或者中央控制室內的。

3 工程應用

為了證實分布式光纖測溫系統的有效性，在國內某隧道對該系統進行了溫度測量試驗。該系統主要用于監測該區域220 kV變電站的兩個隧道（2#、3#隧道）中11個超高壓電纜回路33條電纜的溫度值，其中2#隧道內5個回路15條電纜總長為1 250 m，3#隧道內6個回路18條電纜總長為1 250 m。

3.1 系統配置

分布式光纖測溫系統測溫主機：1臺；通道1：2#電纜隧道1 250 m；通道2：3#電纜隧道1 250 m；CSM主機：1臺；CSM軟件：1套；測溫光纜：總長度2 500 m。

根據被測電纜信息，采用1臺分布式光纖測溫系統測溫主機實現對2#，3#隧道內11個回路的33條電纜進行在線溫度監測，系統結構圖如圖3所示。分布式光纖測溫系統測溫主機安裝于變電站的監控室內，并與測溫光纜相連；測溫光纜分別敷設和固定于2#隧道15條電纜表面上，3#隧道18條電纜表面上；CSM主機內置CSM軟件，主要采集分布式光纖測溫系統的信息，顯示電纜表面的溫度數據和溫度曲線；計算電纜導體溫度數據，并顯示相關數據和曲線；實現對短期運行負荷的預測；該軟件能夠組態被測電纜布局；輸出多級報警，并通過網絡通信協議輸出多種類型的報警信號等。

3.2 運行結果

3.2.1 表面溫度顯示

分布式光纖測溫系統已運行，圖4為其軟件界面圖，界面上顯示了被測電纜的布局圖、電纜走向、電纜名稱、電纜表面溫度最高值、電纜導體溫度最高值、運行電纜的電流值、溫度異常報警等信息，通過該界面，用戶可以隨時掌握電纜運行情況。

通過打開子窗口可以顯示詳細的電纜溫度分布曲線，也可以打開各個回路子窗口，查看各個回路的3條電纜的溫度分布曲線，幫助用戶隨時深入了解運行電纜的溫度信息，如圖5所示。

3.2.2 電纜導體溫度實現

CSM軟件內置動態載流量模型，可以根據分布式光纖測溫系統測溫主機采集的電纜表面溫度和運行電纜的電流值計算出電纜導線的溫度值，并預測短期電纜運行負荷，為電力調度提供依據，提高資產利用率。圖6為電流和電纜表面溫度的響應曲線圖，其中藍色曲線表示分布式光纖測溫系統測溫主機采集的電纜表面溫度值，柱狀圖為電纜的運行電流值，紅色曲線表示電纜導體溫度值。

3.2.3 溫度異常報警輸出

當分布式光纖測溫系統測溫主機測到的電纜表面溫度值超過系統設定值，將輸出系統報警信號，包括異常溫度值和位置信息。從圖7的系統報警輸出曲線圖可知，有一個尖脈沖值54.7 ℃超出了系統的的預報警溫度值為48 ℃，系統輸出了報警信號。經證實該報警處確實存在電纜故障，目前已修復，挽回了重大經濟損失和人員傷亡。

4 結 語

分布式光纖測溫系統是電纜體溫計，能夠有效地、實時地提供電力電纜的分布式溫度信息，準確反應現場運行電力電纜實際運行情況，及時發現和定位溫度異常點，為電纜故障提供溫度預警功能，避免電力事故發生。

參考文獻

[1] 林波.超高壓XLPE電纜絕緣監測技術的工程化應用[D].上海：上海交通大學，2011.

[2] 張在宣，張步新，陳陽.光纖背向激光自發拉曼散射的溫度效應研究[J].光子學報，1996，25（3）：273?278.

[3] 陳軍，李永麗.應用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感技術[J].電力系統及自動化學報，2005，17（3）：47?49.

[4] 劉林紅，張在宣，余向東，等.30 km分布式光纖測溫傳感器的空間分辨率研究[J].儀器儀表學報，2005，26（11）：1195?1210.

[5] 何明科，張佩宗，李永麗.分布式光纖測溫技術在電力設備過熱監測中的應用[J].電力設備，2007（10）：30?32.

[6] 彭超，趙建康，苗付貴.分布式光纖監測技術在線監測電纜溫度[J].高電壓技術，2006（8）：43?45.

[7] 郭兆坤，鄭曉亮，陸兆輝，等.分布式光纖溫度傳感技術及其應用[J].中國電子科學研究院學報，2008（5）：543?546.

[8] 劉媛，張勇，雷濤，等.分布式光纖測溫技術在電纜溫度監測中的應用[J].山東科學，2008，21（6）：50?54.

[9] 張在宣，王劍鋒，劉紅林，等.30 km遠程分布式光纖拉曼溫度傳感器系統的實驗研究[J].中國激光，2004，31（5）：613?616.

[10] 崔文華，陳志斌.分布式光纖溫度監測與報警系統的研究[J].紅外與激光工程，2002，31（2）：175?178.

光時域反射技術（OTDR）最初用于評價光學通信系統中光纖、光連接器等的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的有效手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎。光源發射出一系列的激光脈沖進入光纖后，在光纖中產生背向散射。通過獲得背向散射光信號與發射光脈沖信號的時間差[⊿t]，并且光信號在光纖中傳播的速度vg是常數，因此可以確定此散射光信號產生點距離激光脈沖入射點的距離為[z=vg·⊿t2]。通過這種方法可以在整根連續的光纖上以距離的連續函數形式得到光纖中各點的溫度數據。如圖2所示。

2 系統組成

分布式光纖測溫系統主要包括測溫主機、測溫光纜及CSM主機組成。

（1） 測溫主機。分布式光纖測溫系統測溫主機由內置激光器、濾波器、高速數據采集與處理單元等組成，可實現電力電纜表面溫度信息的采集、處理，并且輸出溫度報警信息。其安裝于監控室內。

（2） 測溫光纜。測溫光纜既作為溫度傳感器探測電纜表面的溫度信息，又作為通信媒介傳輸信息。其敷設并固定在電力電纜的表面。

（3） CSM主機。CSM主機通過網絡與測溫主機連接進行通信。CSM主機內嵌入CSM軟件，該軟件可實現對報警參數、監測區域劃分、通信參數等測溫主機參數的設置；采集電纜表面的溫度數據并在屏幕中以溫度曲線的形式顯示；計算電纜導體的溫度數據；輸出報警信息等。CSM主機是安裝于監控室或者中央控制室內的。

3 工程應用

為了證實分布式光纖測溫系統的有效性，在國內某隧道對該系統進行了溫度測量試驗。該系統主要用于監測該區域220 kV變電站的兩個隧道（2#、3#隧道）中11個超高壓電纜回路33條電纜的溫度值，其中2#隧道內5個回路15條電纜總長為1 250 m，3#隧道內6個回路18條電纜總長為1 250 m。

3.1 系統配置

分布式光纖測溫系統測溫主機：1臺；通道1：2#電纜隧道1 250 m；通道2：3#電纜隧道1 250 m；CSM主機：1臺；CSM軟件：1套；測溫光纜：總長度2 500 m。

根據被測電纜信息，采用1臺分布式光纖測溫系統測溫主機實現對2#，3#隧道內11個回路的33條電纜進行在線溫度監測，系統結構圖如圖3所示。分布式光纖測溫系統測溫主機安裝于變電站的監控室內，并與測溫光纜相連；測溫光纜分別敷設和固定于2#隧道15條電纜表面上，3#隧道18條電纜表面上；CSM主機內置CSM軟件，主要采集分布式光纖測溫系統的信息，顯示電纜表面的溫度數據和溫度曲線；計算電纜導體溫度數據，并顯示相關數據和曲線；實現對短期運行負荷的預測；該軟件能夠組態被測電纜布局；輸出多級報警，并通過網絡通信協議輸出多種類型的報警信號等。

3.2 運行結果

3.2.1 表面溫度顯示

分布式光纖測溫系統已運行，圖4為其軟件界面圖，界面上顯示了被測電纜的布局圖、電纜走向、電纜名稱、電纜表面溫度最高值、電纜導體溫度最高值、運行電纜的電流值、溫度異常報警等信息，通過該界面，用戶可以隨時掌握電纜運行情況。

通過打開子窗口可以顯示詳細的電纜溫度分布曲線，也可以打開各個回路子窗口，查看各個回路的3條電纜的溫度分布曲線，幫助用戶隨時深入了解運行電纜的溫度信息，如圖5所示。

3.2.2 電纜導體溫度實現

CSM軟件內置動態載流量模型，可以根據分布式光纖測溫系統測溫主機采集的電纜表面溫度和運行電纜的電流值計算出電纜導線的溫度值，并預測短期電纜運行負荷，為電力調度提供依據，提高資產利用率。圖6為電流和電纜表面溫度的響應曲線圖，其中藍色曲線表示分布式光纖測溫系統測溫主機采集的電纜表面溫度值，柱狀圖為電纜的運行電流值，紅色曲線表示電纜導體溫度值。

3.2.3 溫度異常報警輸出

當分布式光纖測溫系統測溫主機測到的電纜表面溫度值超過系統設定值，將輸出系統報警信號，包括異常溫度值和位置信息。從圖7的系統報警輸出曲線圖可知，有一個尖脈沖值54.7 ℃超出了系統的的預報警溫度值為48 ℃，系統輸出了報警信號。經證實該報警處確實存在電纜故障，目前已修復，挽回了重大經濟損失和人員傷亡。

4 結 語

分布式光纖測溫系統是電纜體溫計，能夠有效地、實時地提供電力電纜的分布式溫度信息，準確反應現場運行電力電纜實際運行情況，及時發現和定位溫度異常點，為電纜故障提供溫度預警功能，避免電力事故發生。

參考文獻

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[3] 陳軍，李永麗.應用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感技術[J].電力系統及自動化學報，2005，17（3）：47?49.

[4] 劉林紅，張在宣，余向東，等.30 km分布式光纖測溫傳感器的空間分辨率研究[J].儀器儀表學報，2005，26（11）：1195?1210.

[5] 何明科，張佩宗，李永麗.分布式光纖測溫技術在電力設備過熱監測中的應用[J].電力設備，2007（10）：30?32.

[6] 彭超，趙建康，苗付貴.分布式光纖監測技術在線監測電纜溫度[J].高電壓技術，2006（8）：43?45.

[7] 郭兆坤，鄭曉亮，陸兆輝，等.分布式光纖溫度傳感技術及其應用[J].中國電子科學研究院學報，2008（5）：543?546.

[8] 劉媛，張勇，雷濤，等.分布式光纖測溫技術在電纜溫度監測中的應用[J].山東科學，2008，21（6）：50?54.

[9] 張在宣，王劍鋒，劉紅林，等.30 km遠程分布式光纖拉曼溫度傳感器系統的實驗研究[J].中國激光，2004，31（5）：613?616.

[10] 崔文華，陳志斌.分布式光纖溫度監測與報警系統的研究[J].紅外與激光工程，2002，31（2）：175?178.

光時域反射技術（OTDR）最初用于評價光學通信系統中光纖、光連接器等的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的有效手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎。光源發射出一系列的激光脈沖進入光纖后，在光纖中產生背向散射。通過獲得背向散射光信號與發射光脈沖信號的時間差[⊿t]，并且光信號在光纖中傳播的速度vg是常數，因此可以確定此散射光信號產生點距離激光脈沖入射點的距離為[z=vg·⊿t2]。通過這種方法可以在整根連續的光纖上以距離的連續函數形式得到光纖中各點的溫度數據。如圖2所示。

2 系統組成

分布式光纖測溫系統主要包括測溫主機、測溫光纜及CSM主機組成。

（1） 測溫主機。分布式光纖測溫系統測溫主機由內置激光器、濾波器、高速數據采集與處理單元等組成，可實現電力電纜表面溫度信息的采集、處理，并且輸出溫度報警信息。其安裝于監控室內。

（2） 測溫光纜。測溫光纜既作為溫度傳感器探測電纜表面的溫度信息，又作為通信媒介傳輸信息。其敷設并固定在電力電纜的表面。

（3） CSM主機。CSM主機通過網絡與測溫主機連接進行通信。CSM主機內嵌入CSM軟件，該軟件可實現對報警參數、監測區域劃分、通信參數等測溫主機參數的設置；采集電纜表面的溫度數據并在屏幕中以溫度曲線的形式顯示；計算電纜導體的溫度數據；輸出報警信息等。CSM主機是安裝于監控室或者中央控制室內的。

3 工程應用

為了證實分布式光纖測溫系統的有效性，在國內某隧道對該系統進行了溫度測量試驗。該系統主要用于監測該區域220 kV變電站的兩個隧道（2#、3#隧道）中11個超高壓電纜回路33條電纜的溫度值，其中2#隧道內5個回路15條電纜總長為1 250 m，3#隧道內6個回路18條電纜總長為1 250 m。

3.1 系統配置

分布式光纖測溫系統測溫主機：1臺；通道1：2#電纜隧道1 250 m；通道2：3#電纜隧道1 250 m；CSM主機：1臺；CSM軟件：1套；測溫光纜：總長度2 500 m。

根據被測電纜信息，采用1臺分布式光纖測溫系統測溫主機實現對2#，3#隧道內11個回路的33條電纜進行在線溫度監測，系統結構圖如圖3所示。分布式光纖測溫系統測溫主機安裝于變電站的監控室內，并與測溫光纜相連；測溫光纜分別敷設和固定于2#隧道15條電纜表面上，3#隧道18條電纜表面上；CSM主機內置CSM軟件，主要采集分布式光纖測溫系統的信息，顯示電纜表面的溫度數據和溫度曲線；計算電纜導體溫度數據，并顯示相關數據和曲線；實現對短期運行負荷的預測；該軟件能夠組態被測電纜布局；輸出多級報警，并通過網絡通信協議輸出多種類型的報警信號等。

3.2 運行結果

3.2.1 表面溫度顯示

分布式光纖測溫系統已運行，圖4為其軟件界面圖，界面上顯示了被測電纜的布局圖、電纜走向、電纜名稱、電纜表面溫度最高值、電纜導體溫度最高值、運行電纜的電流值、溫度異常報警等信息，通過該界面，用戶可以隨時掌握電纜運行情況。

通過打開子窗口可以顯示詳細的電纜溫度分布曲線，也可以打開各個回路子窗口，查看各個回路的3條電纜的溫度分布曲線，幫助用戶隨時深入了解運行電纜的溫度信息，如圖5所示。

3.2.2 電纜導體溫度實現

CSM軟件內置動態載流量模型，可以根據分布式光纖測溫系統測溫主機采集的電纜表面溫度和運行電纜的電流值計算出電纜導線的溫度值，并預測短期電纜運行負荷，為電力調度提供依據，提高資產利用率。圖6為電流和電纜表面溫度的響應曲線圖，其中藍色曲線表示分布式光纖測溫系統測溫主機采集的電纜表面溫度值，柱狀圖為電纜的運行電流值，紅色曲線表示電纜導體溫度值。

3.2.3 溫度異常報警輸出

當分布式光纖測溫系統測溫主機測到的電纜表面溫度值超過系統設定值，將輸出系統報警信號，包括異常溫度值和位置信息。從圖7的系統報警輸出曲線圖可知，有一個尖脈沖值54.7 ℃超出了系統的的預報警溫度值為48 ℃，系統輸出了報警信號。經證實該報警處確實存在電纜故障，目前已修復，挽回了重大經濟損失和人員傷亡。

4 結 語

分布式光纖測溫系統是電纜體溫計，能夠有效地、實時地提供電力電纜的分布式溫度信息，準確反應現場運行電力電纜實際運行情況，及時發現和定位溫度異常點，為電纜故障提供溫度預警功能，避免電力事故發生。

參考文獻

[1] 林波.超高壓XLPE電纜絕緣監測技術的工程化應用[D].上海：上海交通大學，2011.

[2] 張在宣，張步新，陳陽.光纖背向激光自發拉曼散射的溫度效應研究[J].光子學報，1996，25（3）：273?278.

[3] 陳軍，李永麗.應用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感技術[J].電力系統及自動化學報，2005，17（3）：47?49.

[4] 劉林紅，張在宣，余向東，等.30 km分布式光纖測溫傳感器的空間分辨率研究[J].儀器儀表學報，2005，26（11）：1195?1210.

[5] 何明科，張佩宗，李永麗.分布式光纖測溫技術在電力設備過熱監測中的應用[J].電力設備，2007（10）：30?32.

[6] 彭超，趙建康，苗付貴.分布式光纖監測技術在線監測電纜溫度[J].高電壓技術，2006（8）：43?45.

[7] 郭兆坤，鄭曉亮，陸兆輝，等.分布式光纖溫度傳感技術及其應用[J].中國電子科學研究院學報，2008（5）：543?546.

[8] 劉媛，張勇，雷濤，等.分布式光纖測溫技術在電纜溫度監測中的應用[J].山東科學，2008，21（6）：50?54.

[9] 張在宣，王劍鋒，劉紅林，等.30 km遠程分布式光纖拉曼溫度傳感器系統的實驗研究[J].中國激光，2004，31（5）：613?616.

[10] 崔文華，陳志斌.分布式光纖溫度監測與報警系統的研究[J].紅外與激光工程，2002，31（2）：175?178.