分布式光纖測溫系統在電力電纜在線監測中的應用

張春陽

(無錫供電公司，江蘇無錫 214061)

隨著經濟社會的發展，能源問題日益突出。為了響應國家走可持續發展道路的號召，國家電網決定大力發展智能電網。智能電網對可靠性和穩定性的要求越來越高，給電網的日常運行維護工作也帶來了新的挑戰和機會。在電力系統中，電力電纜主要是用來進行電能的傳遞，電纜常常因長期運行而發生絕緣老化，由于所處外部環境惡劣及內部高負荷電流而引起局部高溫甚至火災，而傳統的運行維護方法主要靠人工進行日常巡視，這需要大量人力和設備，不能準確、快速地反映電力電纜的健康狀況，大大影響了電網的安全、可靠運行。因此，很有必要對電力電纜進行實時在線監測，從而能夠及時進行故障診斷和定位，使事故消除在萌芽狀態。智能配電網中光纖復合架空相線（OPPC）和光纖復合低壓電纜（OPLC）的大量使用，為分布式光纖測溫系統在電力電纜在線監測中的應用打下了扎實的基礎。

基于分布式光纖傳感技術的優勢，其理論和應用研究一直是國內外研究的熱點[1]。1981年英國的南安普敦大學首次提出了分布光纖溫度傳感器系統的定義，1987年英國YORK 技術有限公司首次推出了商品化的拉曼后向散射效應的DTS 分布式光纖溫度傳感系統。目前，國外關于分布式光纖測溫系統的研究已經相當成熟，其測量距離最長可達30 km，溫度分辨率最高可達0.5℃，空間定位精度最高可達0.5 m；而國內同類產品的監測距離最大為5 km，空間分辨率為2 m，溫度分辨率為1℃，國內產品相比國外產品在性能指標上還存在一定的差距。

1 分布式光纖測溫系統工作原理及特點

1.1 定位原理

分布式光纖測溫系統在時域中利用OTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）技術原理來對不同的溫度點進行精確定位。OTDR 技術基于光的瑞利散射和背向反射原理，當光脈沖在光纖中進行信息傳遞時，光纖上的每一處都會發生散射現象，散射大小和光功率強弱成正比，光功率和光纖的衰耗情況有光。由于瑞利散射是全方位的，有一部分光會反向傳輸到輸入端形成背向散射光，利用OTDR 探測器測量到的入射信號到達某測溫點后返回信號所用的時間，可以初步計算出該測溫點的位置[2]，即：

式（1）中：L為測溫點距離人射點的距離；C為光脈沖在真空中的速度；n為光纖纖芯的折射率大小；t為信號從發射到返回的時間。

1.2 測溫原理

DTS（Distributed Temperature Sensor）光纖分布式溫度測量系統利用光子的拉曼散射溫度效應來實現溫度的檢測。光纖本身不僅進行信號傳輸，還用于探測溫度，即傳播傳感一體化。當激光脈沖在光纖中傳輸時，光纖分子的熱振動和光子相互作用發生能量交換會產生拉曼散射。若一部分光能轉換成熱振動，則會產生一個比光源波長長的光，稱之為斯托克斯光（Stokes），如果一部分熱振動轉換成為光能，則會產出一個比光源波長短的光，稱之為反斯托克斯光（Anti-Stokes)[3-5]。

Stokes 光強：

Anti-Stokes 光強:

由于Stokes 光強度受溫度的影響很小，可忽略不計，Anti-Stokes 光強度會隨著溫度的變化而變化。而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，即：

式（2—4）中：Ia，Is分別為Anti-Stokes 和Stokes的光強度；λa，λs分別為Anti-Stokes 和Stokes的波長；h為普朗克常量；c為光速；k為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；Δγ為偏移波數。

光在光纖中傳輸時后向拉曼散射光沿光纖原路返回，被光纖探測單元接收。測溫主機通過測量背向拉曼散射光中Anti-Stokes 光與Stokes 光的強度比值的變化就可實現對外部溫度變化的監測。

1.3 工作原理

分布式光纖測溫系統的原理是利用激光在光纖中傳輸時產生的拉曼（Raman）散射和光時域反射原理來獲取空間溫度的分布情況，其工作原理如圖1 所示。

圖1 工作原理圖

光發射機在同步控制單元的觸發下，形成一定周期和持續時間的短脈沖光，該脈沖驅動半導體激光器產生大功率的光脈沖，脈沖光通過光耦合器連接到恒溫槽，然后進入傳感光纖。其中，恒溫槽用于系統標定溫度。同時，雙向耦合器將散射回來的后向拉曼光耦合至光處理系統。通過分光器，濾出Stokes 光和Anti-Stokes 光，分別進入不同的光路進行處理。由于散射光中還夾雜著其它散射光和干擾光，所以需要對兩路光進行一定的帶通濾波處理。由于后向拉曼散射光的強度非常微弱，拉曼散射光進而通過APD（雪崩光電二極管）進行光電轉換和放大，得到一定范圍的有效電壓值。然后由數據采集單元進行高速數據采樣并轉換為數字量，最后經過信號處理器對信號進一步處理，便可將溫度信息實時計算出來。同時根據光纖中光的傳輸速度和后向光回波的時間對溫度信息定位。

工作人員根據實際情況預先在系統中預先設定測溫光纖的始末長度與測溫的距離間隔，以每個點測得的溫度值作為提取對象，在數據提取程序下對這些點所在光纖上的刻度值進行定義，從而實現對監測點的溫度值實時在線監測。分布式測溫系統按照設定的間隔每隔一定時間針對所有監測點記錄相關溫度數據，隨著通信網絡的大力發展，網絡結構越來越復雜，線路長度越來越長，產生的數據也越來越大，相關管理和處理也越來越困難，如采用傳統人工的檢查和處理，則工作量非常巨大，且容易遺漏與出錯。分布式測溫系統采用數據庫系統編程的方式來進行數據導入、異常數據的檢驗、數據處理后的導出等操作，并能夠與常規溫度計實測溫度進行差值比較，按差值大小來進行自定義顯示，進行修改或者剔除等處理操作，提高了光纖數據前處理工作的效率。系統采用統計檢驗方法識別溫度異常值。統計檢驗方法采用統計理論進行觀測資料檢驗，因為有一定的數學依據和判斷標準，很大程度上減少了分析人員的主觀性，也不依賴于分析人員的經驗和技術水平。對于異常溫度測值，程序可以根據識別因子判斷并作出標記，如果程序判斷為溫度異常數據，將通過操作將異常溫度測值直接剔除。

1.4 技術特點

傳統的電溫度傳感器包括傳統的熱電偶傳感器、熱電阻傳感器以及特殊的半導體傳感器等，這些傳感器容易受電磁干擾，同時易燃、易爆，腐蝕性差。由于是點式測量，有盲區，在現實工作中，也不便于安裝、布線，維護工作量大，成本高。分布式光纖測溫系統與傳統的電纜感溫系統相比，有以下優點：

（1）以光纖為媒介，光纖的纖芯材料為二氧化硅，耐腐蝕，不受電磁干擾，使用于特殊場合；

（2）線性測量，無盲區，可以準確地測出光纖沿線任一點的溫度量，靈敏性高，信息量大，數據直觀；

（3）光纖體積小，重量輕，抗拉伸，同時纖細柔軟，便于安裝；

（4）監測距離長（可至10 km），一條光纜即可完成控測和信號傳輸，所有設置都在終端完成，整個系統簡單穩定，易于維護操作；

（5）溫度達到報警值，不影響系統的正常使用，可靠性高，使用壽命長。

2 分布式光纖測溫系統在電力電纜中的應用

2.1 在線監測系統網絡結構

基于分布式光纖測溫的電纜監測系統可采用B/S結構，其網絡結構如圖2 所示。

圖2 在線監測系統結構圖

DTS 設備負責進行測溫，將所得的數據保存在數據庫服務器中，中心服務器完成綜合監視、數據管理、事件管理、臺賬管理、統計管理和系統管理。用戶可以通過操作終端連接到監測服務器，獲取相關數據，完成各項任務，實現系統的各項操作功能。同時，該監測系統網絡級互通接口實現與其他網管系統、資源管理數據庫系統等系統互通，從而實現資源共享。該監測系統能查詢其他系統的相關數據，其它系統也能從該在線監測系統中提取自己所需的信息。通過這種基于B/S的模式控制簡單，系統擴展性好。

2.2 實際應用效果

（1）無錫某電力管廊10 kV 電力電纜采用了外置式光纖測溫系統進行在線監測。狀態檢測主機和DTS測溫主機均安裝于監控室的控制柜中，探測光纜沿著電纜表面敷設，且每隔1 m 使用尼龍扎帶或固定夾具進行綁扎，探測光纜安裝示意如圖3 所示。

圖3 外置探測光纜安裝示意圖

探測光纜既可以作為溫度傳感器感應溫度信息，又可以作為信息傳輸通道將相關溫度信息傳送給DTS 測溫主機進行處理。DTS 測溫主機與電力電纜狀態監測主機之間通過TCP/IP 協議進行通信，通過檢測主機內置軟件實現對DTS 測溫主機和監測范圍進行相關配置，DTS 測溫主機將溫度信息傳送給電力電纜狀態監測主機內置軟件進行后期處理，輸出實時電纜溫度及報警信息等。

（2）無錫某小區1 號公配所至2 號樓的10 kV 電力電纜采用了內置式光纖測溫系統進行在線監測。狀態檢測主機和DTS 測溫主機均安裝于公配所的控制柜中，采用光纖復合電纜中的內置光纖來進行探測，安裝示意如圖4 所示。

圖4 內置探測光纜安裝示意圖

分布式光纖測溫技術在電力電纜中的應用，可以有效地監測電纜在不同負載下的發熱狀態，積累歷史數據；通過載流量分析，可以保證在不超過電纜允許運行溫度的情況下，最大限度地發揮電纜的傳輸能力，降低其運行成本；進行老化監測，發現電力電纜上的局部過熱點，及時采取相關降溫措施，延緩電力電纜老化的速度；進行實時故障監測，及時發現電纜運行過程中的外力破壞等。

（3）電力電纜狀態監測主機一般安裝于變電站監控室或者中央控制室內，電力電纜狀態測溫軟件通常內置于主機內，用戶可以通過狀態監測系統可以及時、準確地了解電力電纜的工作狀態。分布式光纖測溫系統界面可以實時地顯示各電力電纜線路上的溫度分布曲線、各點溫度隨時間的變化曲線、不同區域的獨立報警、最高溫度的報警、溫度上升速率的報警等。

3 結束語

基于分布式光纖測溫系統的電力電纜在線監測系統，通過將導線、電纜張力、溫度、垂度、信息和電氣相關信息相結合，不但能夠實現實時對電力電纜負荷情況的在線監測，還能夠及時、準確地進行限制電纜載流量瓶頸點的溫度監控和定位，方便了電力部門及時調整負荷和線路的日常維護，減少了由于停電對用戶帶來的經濟損失。更為重要的是，通過將故障電量信息與溫度信息進行實時顯示處理，能夠對電力電纜故障進行及時報警，迅速準確地確定電力電纜的故障點位置，指導相關檢修人員及時趕到事故地點進行電力電纜修復，大大提高了供電的可靠性。分布式光纖溫度測量系統是目前電力電纜在線監測最有效的手段之一。

[1]張 穎，張 娟，郭玉靜，等.分布式光纖溫度傳感器的研究現狀及趨勢[J].儀表技術與傳器，2007，08(3)：1-2.

[2]AOYAMA K,NAKAGAWA K,ITOH T.Optical Time Domain Reflectometry in a Single-mode Fiber[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1981,17(6):862-868.

[3]劉 揚，侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統分析研究[J].電子設計工程，2009，17(1)：23-25.

[4]AHANGRANI M，GOGOLLA T.Spontaneous Raman Scattering in Fibers with Modulated Probe Light for Distributed Temperature Roman Remote Sensing[J].Journal of Lightwave Technology,1999(8):1379-1391.

[5]劉 文，楊坤濤，許遠忠.基于自發Raman 散射分布式光纖測溫系統設計[J].光通信研究，2005(4)：54-56.

[6]吳為國，茅 豐.基于無線通信技術的電纜測溫實時監測系統[J].江蘇電機工程，2013，32(3)：54-56.