基于分布式光纖測溫的電力電纜溫度監測系統

李雙厚+李慶延+張國慶

摘 要：隨著地下電纜在供電系統中應用和逐漸推廣，實現地下電纜的安全、穩定和經濟運行對確保供電系統的安全性、穩定性、經濟性等意義重大。在電纜輸電過程中電纜溫度變化對其運行狀態影響很大，因此提出了基于分布式光纖測溫的電力電纜溫度監測系統，本文著重介紹了該系統的工作原理及軟硬件組成。

關鍵詞：地下電纜；分布式光纖測溫系統；拉曼散射；光時域反射

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.141

0 引言

隨著我國城市化建設不斷發展，城市中電纜逐漸由架空鋪設轉變為地下鋪設，地下電纜規模快速擴展，伴隨著地下電纜的安全性以及可靠性等問題日益明顯，因此亟待一種有效的電纜安全監測方法。研究表明，電纜溫度與電纜運行狀態間存在著密切的關系，當電纜運行負荷變化時，則電纜溫度也會隨之發生相同趨勢的變化[1]。如果電纜在運行過程中某處溫度迅速升高，則說明運行負荷過大或電纜此處存在問題；當電纜長時間處于允許的極限溫度時，則會導致電纜老化，發生故障。反之為了避免電纜溫度過高，采取使電纜長時間處于低負荷運行，則使電纜不能被充分利用。為了保證電纜在運行過程中既可安全運行，又可充分利用，所以需要對電纜進行實時溫度監測，便于及時掌握和預測電纜的運行狀態[2]。

在實際工程中，電纜線芯溫度是很難被直接測量，因此只能通過間接的方法來獲取線芯溫度，分布式光纖測溫系統是將測溫光纖與電纜緊密貼合，對電纜進行實時溫度監測，通過測溫光纖測量電纜表皮溫度，進而推算線芯溫度。測溫光纖具有能連續獲取電纜整條線路上溫度信息的優勢，同時具有抗電磁干擾性強、維護成本低、對溫度變化敏感等優點。因此近年來分布式光纖測溫技術逐漸被應用到地下電纜的溫度監測。

1 分布式光纖測溫原理

分布式光纖測溫系統是利用光纖的拉曼散射溫度效應來實現電纜溫度的測量，溫度點定位通過光纖的光時域反射原理來實現。

1.1 拉曼散射溫度效應

當激光發射器產生的光在光纖中傳輸時，光脈沖與光纖中的分子相互作用而發生散射，發生的散射光包含多種類型。其中拉曼散射是由于光纖中分子的熱振動與光脈沖相互作用發生能量交換而產生的，因此拉曼散射光的強度與溫度有關，對溫度變化敏感，利用拉曼散射中的斯托克斯光和反斯托克斯光可以推算出光纖所處外部溫度。當測溫光纖所處外部環境溫度為時，在測溫光纖處的斯托克斯散射光功率為，反斯托克斯散射光功率可表示為，將和進行作比，可得到關于溫度的函數，進一步推導計算即可得出光纖上距離為處的溫度值。

式中，為普朗克常數，為波爾茲曼常數。由公式（1）可知，反斯托克斯散射光被斯托克斯散射光解調，可推導出光纖上距離為處的溫度的函數，通過該函數即可計算出光纖沿線的溫度值。

1.2 光時域反射原理

光在光纖中傳輸，光纖中各點會產生后向散射光，公式（2）是光纖中散射點位置與時間的函數關系。其原理示意圖如圖1所示。

式中，是真空中光的傳輸速度，是光進入光纖時開始計時，到接受到返回的散射光的時間。實際中光在玻璃中的傳輸速度比真空中慢，為光纖的折射率，由生產廠商具體標明。

2 分布式光纖測溫系統組成

基于分布式光纖測溫的電力電纜溫度監測系統主要由如下三部分組成。

（1）測溫主機。測溫主機是安裝于監控室內，主要是由激光發射器、濾波器、光電轉換模塊、信號采集及處理單元等構成，其主要功能為實時采集、處理并傳輸電纜運行溫度信息。

（2）測溫光纖。測溫光纖安裝于所要監測的電纜的表面，依據光纖傳感技術用于探測電纜表皮溫度信息。

（3）后臺監控主機。后臺監控主機內置組態軟件，利用網絡與測溫主機通信，獲取電纜表皮溫度信息，通過表皮溫度進行線芯溫度和載流量的計算；利用OPC服務器實現組態軟件與數值分析軟件MATLAB之間通信[3]，實現電纜溫度預測。后臺監控主機主要功能有：①實時顯示溫度并預測溫度變化趨勢；②電纜溫度圖像化顯示；③實時監測電纜溫度，超溫預警、報警；④實現電纜載流量計算；⑤電纜運行溫度、載流量等運行信息的存儲、記錄。

3 結論

基于分布式光纖測溫的電纜測溫系統應用于地下電纜測溫具有明顯的優勢，可以精確地、實時地對地下電纜進行溫度監測，能準確地定位觀察沿線電纜的運行情況，當電纜出現溫度異常時，可以及時定位到異常溫度點，避免電力事故發生。

參考文獻：

[1]李艷秋，曹鐘中，靳濤.電力電纜火災監測及防火預警系統的研制[J].華北電力技術，2001，1（02）：23-24.

[2]張振鵬，趙健康，饒文彬等.電纜分布式光纖測溫系統測量結果符合性的比對試驗[J].高電壓技術，2012，38（06）：1362-1367.

[3]劉國建.埋地電力電纜發熱機理與溫升監測系統研究[D].上海電力學院，2016.endprint