分布式光纖溫度傳感器在電纜隧道中的應(yīng)用

李陸軍

摘 要：文章探索了分布式光纖溫度傳感器（DTS）在電纜隧道中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示分布式光纖溫度傳感器能夠在電纜隧道溫度監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行很好的應(yīng)用。系統(tǒng)溫度范圍：-40℃～85℃，測(cè)溫光纖長(zhǎng)：1.8km，測(cè)量溫度精度：±1℃，空間分辨率：1.5m，為電纜隧道溫度監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：分布式光纖溫度傳感器；電纜；隧道；溫度監(jiān)測(cè)；拉曼散射

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）03-0119-03

Abstract： This paper explores the application of distributed fiber optic temperature sensor （DTS） in cable tunnel. The experimental results show that the distributed fiber optic temperature sensor can be used in cable tunnel temperature monitoring. The temperature range of the system is -40℃～85℃， the fiber length of measuring temperature is 1：1.8 km， the precision of measuring temperature is ±1℃， and the spatial resolution is 1：1.5 m， which provides a scientific basis for the temperature monitoring of cable tunnel.

Keywords： distributed optical fiber temperature sensor； cable； tunnel； temperature monitoring； Raman scattering

1 概述

電網(wǎng)作為城市生命線工程系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，由于涉及千家萬(wàn)戶用電需求，是維持國(guó)民生產(chǎn)、生活的基礎(chǔ)。安全運(yùn)行為第一要?jiǎng)?wù)。因?yàn)橄到y(tǒng)一旦失效，將造成廣泛的社會(huì)困難和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)中電纜、高壓開關(guān)柜、電纜接頭等位置處的環(huán)境溫度是影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)，環(huán)境溫度參數(shù)過(guò)高或過(guò)低都不利于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為確定系統(tǒng)最佳的和最安全的載流能力，須對(duì)電力設(shè)備環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的測(cè)溫方法采用的是電式溫度傳感器，電式溫度傳感器只能單點(diǎn)監(jiān)測(cè)待監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度，對(duì)大范圍大區(qū)域的電纜溫度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的位置呈點(diǎn)狀分布，無(wú)法完整的監(jiān)測(cè)電纜的每一個(gè)位置。分布式光纖溫度傳感器[1]可將傳感光纜位置處的每一點(diǎn)溫度都探測(cè)出來(lái)，傳感光纜沿電纜敷設(shè)，就可以對(duì)電纜進(jìn)行全方位的溫度監(jiān)測(cè)，分布式光纖溫度傳感器具有連續(xù)分布式測(cè)量、抗電磁干擾、本征防雷、測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)，成本低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以24小時(shí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度，為電纜安全監(jiān)測(cè)提供溫度數(shù)據(jù)。

2 分布式光纖溫度傳感器的基本原理[2，3，4]

激光脈沖入射到光纖中后，在傳播的過(guò)程中與光纖相互作用，會(huì)發(fā)生非線性散射，包括布里淵散射和拉曼散射。按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，可以將拉曼散射看成入射光和介質(zhì)分子相互作用時(shí)，光子吸收或發(fā)射一個(gè)聲子。

當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)，回到光纖的始端，每個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量為：

反斯托克斯[3]拉曼背向散射光的光通量可以表示為：

其中：？準(zhǔn)e為入射到光纖的激光脈沖的光通量，？準(zhǔn)S、？準(zhǔn)a為斯托克斯光、反斯托克斯光光通量，KS和Ka為和光纖的斯托克斯散射和反斯托克斯散射截面有關(guān)的系數(shù)，S為光纖背向散射因子，vS、va為斯托克斯、反斯托克斯光的頻率，L為激光在光纖中傳播的距離，？琢0、？琢S、？琢a為入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纖中的平均傳輸損耗，RS（T）、Ra（T）為與光纖分子低能級(jí)和高能級(jí)上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，是斯托克斯拉曼背向散射光與反斯托克斯拉曼背向散射光的溫度調(diào)制函數(shù)。

由式（1）和式（2）相除得到：

在標(biāo)定光纖溫度為T0時(shí)，待測(cè)光纖的溫度為T時(shí)，可推知：

在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)出？準(zhǔn)a（T）、？準(zhǔn)S（T）、？準(zhǔn)a（T0）、？準(zhǔn)S（T0）經(jīng)光電探測(cè)器探測(cè)出來(lái)的電平值，就能得出空間溫度場(chǎng)中的溫度T。

3 分布式光纖溫度傳感器電力隧道應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)組成

光纖測(cè)溫系統(tǒng)，包含DTS測(cè)溫主機(jī)、分布式光纖和后臺(tái)軟件；其中DTS測(cè)溫主機(jī)使用6公里6光通道，每個(gè)通道分別覆蓋各回路電纜及隧道內(nèi)的環(huán)境溫度；DTS監(jiān)控主機(jī)通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸出給監(jiān)控后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)完成核心的分析和監(jiān)測(cè)功能。

3.2 總體方案

在xx工程電纜隧道，由主隧道和分支隧道組成，全長(zhǎng)共計(jì)1792m，110kV電纜6回路，220kV電纜4回路安裝分布式測(cè)溫光纖，每個(gè)回路中鋪設(shè)測(cè)溫光纖；對(duì)電纜接頭部分重點(diǎn)檢查，電纜接頭處的傳感光纜布設(shè)采用雙環(huán)形纏繞方式，以便確保傳感光纜和電纜接頭緊密貼合，傳感光纜能夠快速感知電纜接頭處的溫度，雙環(huán)形纏繞方式所需的傳感光纜應(yīng)大于6m。傳感光纜的捆扎方式為固定式，扎帶的間距為1m，傳感光纜敷設(shè)在電纜表面，傳感光纜每隔50m設(shè)置一個(gè)標(biāo)識(shí)牌，標(biāo)識(shí)傳感光纜的位置及相應(yīng)的防區(qū)，方便工作人員能夠準(zhǔn)確的找到異常溫度點(diǎn)的傳感光纜位置。在有效的長(zhǎng)度內(nèi)多采集溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，達(dá)到雙重保證的效果。

本應(yīng)用中測(cè)溫主機(jī)安裝在隧道旁工作室內(nèi)機(jī)柜中，各主機(jī)通過(guò)通訊光纖聯(lián)網(wǎng)接到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心（PC機(jī)）。

電纜溝探測(cè)光纖每隔300m掛設(shè)標(biāo)牌，標(biāo)識(shí)測(cè)溫光纖起止點(diǎn)變電站站名、測(cè)溫光纖距起點(diǎn)長(zhǎng)度，每隔500m預(yù)留5m余量的光纖環(huán)，便于后期維護(hù)處理。對(duì)于單芯或者多芯電纜，傳感光纜通過(guò)扎帶固定在電纜的頂面，安裝效果如圖2。endprint

固定傳感光纜使用的扎帶需要根據(jù)具體的工作環(huán)境來(lái)選擇，扎帶的間距一般為1m，也可根據(jù)具體環(huán)境適當(dāng)調(diào)整。傳感光纜的捆扎應(yīng)該保證傳感光纜和待測(cè)電纜緊密貼合，這樣傳感光纜能夠在第一時(shí)間感知到電纜的溫度變化，從而在及時(shí)預(yù)防和排查問(wèn)題電纜，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.3 測(cè)溫光纜

本系統(tǒng)采用的是消防用鎧裝測(cè)溫光纜，消防用鎧裝測(cè)溫光纜是把傳感光纖放在一根不銹鋼螺紋管內(nèi)，螺紋管外面采用凱夫拉緊密纏繞加強(qiáng)和不銹鋼絲緊密編織加強(qiáng)，外層采用阻燃LSZH護(hù)套防護(hù)。消防用鎧裝測(cè)溫光纜纖芯為滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖芯，具備很好的拉曼散射特性。

3.4 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

對(duì)于分布式光纖溫度傳感器[5][6]，我們可以按照實(shí)際情況設(shè)定報(bào)警區(qū)間長(zhǎng)度，還可以給不同的報(bào)警區(qū)間設(shè)置不同的報(bào)警溫度，這樣可以在一些地方進(jìn)行著重監(jiān)測(cè)。當(dāng)待測(cè)溫度場(chǎng)區(qū)域溫度發(fā)生變化時(shí)，可以按照不同報(bào)警區(qū)間給出空間溫度曲線，或者給出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。光纜發(fā)生故障，比如斷裂、受壓扭曲時(shí)，依然可以通過(guò)系統(tǒng)給出故障信號(hào)，從而進(jìn)行修復(fù)處理。本工程中，主隧道和分支隧道總長(zhǎng)1792m，分區(qū)數(shù)10個(gè)。不同的分區(qū)可以設(shè)置不同的報(bào)警條件。

分布式光纖溫度傳感器主要就是監(jiān)測(cè)電纜通道的環(huán)境溫度，設(shè)置預(yù)警值為40°，如果環(huán)境溫度達(dá)到40°，實(shí)驗(yàn)顯示每次采集后系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出預(yù)警。此時(shí)，打開逃生通道的排風(fēng)扇。如果溫度升高，系統(tǒng)顯示的溫度也會(huì)升高（相反溫度降低，系統(tǒng)顯示的溫度也會(huì)降低）。溫度快速升溫或者實(shí)測(cè)達(dá)到70°之后火災(zāi)報(bào)警。圖4為分布式光纖溫度傳感器在電纜隧道實(shí)測(cè)的溫度曲線圖，可以看出，系統(tǒng)的報(bào)警功能是符合實(shí)際要求的。

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式光纖溫度傳感器為電纜隧道提供了一種全新的監(jiān)測(cè)手段，特別對(duì)于高壓電纜溫度實(shí)時(shí)在線測(cè)量具有重要意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示分布式光纖溫度傳感器具有相當(dāng)高的可靠性和溫度精確性，并且測(cè)量時(shí)間特別短。實(shí)驗(yàn)取得了較為良好的結(jié)果，系統(tǒng)溫度范圍：-40℃～85℃，溫度監(jiān)測(cè)距離1.8km，測(cè)溫精度±1℃，定位精度：1.5m。分布式光纖溫度傳感器長(zhǎng)距離大范圍的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)特別適用于電纜的溫度監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)本征安全，抗電磁干擾，使用壽命長(zhǎng)。目前分布式光纖溫度傳感器已經(jīng)在國(guó)內(nèi)逐步推廣使用，獲得了廣泛好評(píng)，未來(lái)分布式光纖溫度傳感器，在電纜隧道的監(jiān)測(cè)中將會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越重要的作用。

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