分布式光纖測溫技術(shù)在電力電纜運(yùn)維中的應(yīng)用

周 琦，胡慧萍

(無錫供電公司，江蘇無錫214061)

電力電纜作為電力系統(tǒng)輸電載體，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。近年來，隨著電力電纜輸送負(fù)荷需求的持續(xù)增加及建設(shè)、改造工期過分緊張，給電力電纜安全運(yùn)行埋下了隱患，電纜擊穿和火災(zāi)的事件不斷發(fā)生。為了確保電纜運(yùn)行在最佳和最安全的狀態(tài)，亟需有效的在線監(jiān)測手段。其中在線溫度監(jiān)測就是一種極為有效的方法，可以發(fā)現(xiàn)潛在異常點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警，防止和杜絕電力事故發(fā)生。傳統(tǒng)的測溫方法采用點(diǎn)式感溫元件裝在電力電纜的重要部位進(jìn)行測溫，此方法只能對(duì)電纜系統(tǒng)局部位置進(jìn)行測溫，無法對(duì)整條電纜線路實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測。而分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)、在線的分布式測量，其中光纖既作為傳感元件感知溫度信息又作為信息載體傳輸溫度信息，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、本征安全、傳輸距離遠(yuǎn)、高帶寬、高溫度分辨率、高空間分辨率、定位精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，可有效實(shí)現(xiàn)電力電纜全線溫度在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜的溫度信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位溫度異常點(diǎn)，并輸出報(bào)警信息，提高了電纜的運(yùn)行安全性和可靠性。

1分布式光纖測溫技術(shù)現(xiàn)狀

目前，分布式光纖測溫技術(shù)主要采用2種基于拉曼散射的溫度傳感技術(shù)，一是基于拉曼光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)；二是基于拉曼光頻域分析技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)。

國外90年代，英國YORK公司和日本藤倉公司均研制成功了分布式光纖溫度傳感器。其在2 km的光纖上實(shí)現(xiàn)了空間分辨率3.5 m，溫度分辨率3℃的傳感測量。

國內(nèi)多家院校從90年代始先后開展了分布光纖溫度傳感器的研究，并取得了可喜的成績。重慶大學(xué)和中國計(jì)量學(xué)院研制成功多模拉曼分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在l km的光纖上實(shí)現(xiàn)了空間分辨率7 m，溫度分辨率3℃的傳感測量[1]。

分布式光纖測溫系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展主要集中在其性能指標(biāo)的優(yōu)化，如測量距離、空間分辨率、溫度分辨率等。目前國外同類產(chǎn)品的監(jiān)測最大距離達(dá)30 km，空間分辨率達(dá)1～3 m，溫度分辨率達(dá)0.8℃；而國內(nèi)同類產(chǎn)品的監(jiān)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(nèi)產(chǎn)品相比國外產(chǎn)品在性能指標(biāo)上還存在一定的差距。為了縮小與國際同類產(chǎn)品的距離，未來發(fā)展重點(diǎn)在于提高該產(chǎn)品的測量距離、空間分辨率、溫度分辨率以及產(chǎn)品的其他性能指標(biāo)。

2分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理

分布式光纖溫度傳感器（DTS），是近年來發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)，是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度傳感器，其利用光子的拉曼散射溫度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度檢測。

當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸過程中與光纖分子相互作用，發(fā)生多種形式的散射，如瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中瑞利散射對(duì)溫度不敏感；布里淵散射對(duì)溫度和應(yīng)力都敏感，容易受外界環(huán)境干擾，影響測量準(zhǔn)確度；拉曼散射是由于光纖分子的熱振動(dòng)和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，具體地說，如果一部分光能轉(zhuǎn)換成為熱振動(dòng)，那么將發(fā)出一個(gè)比光源波長更長的光，稱為斯托克斯光（Stokes光），如果一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換成為光能，那么將發(fā)出一個(gè)比光源波長更短的光，稱為反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。其中Stokes光強(qiáng)度受溫度的影響很小，可忽略不計(jì)，而Anti-Stokes光的強(qiáng)度隨溫度的變化而變化。根據(jù)拉曼散射理論，在自發(fā)拉曼散射條件下，2束反射光的光強(qiáng)和溫度有關(guān)，其比值 R（T）為：

式中：Is，Ias分別為斯托克斯光強(qiáng)和反斯托克斯光強(qiáng)；h為普拉克常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度[2]?？梢姡琑（T）僅與溫度T有關(guān)。因此可以借助斯托克斯和反斯托克斯光強(qiáng)之比來實(shí)現(xiàn)溫度的測量。

在光纖中，激光傳輸?shù)饺我庖稽c(diǎn)都會(huì)在此處產(chǎn)生拉曼散射光，并且產(chǎn)生的拉曼散射光均勻分布在整個(gè)空間角內(nèi)，其中一部分被光纖重新捕獲，沿光纖原路返回，稱作背向拉曼散射光，被光探測單元接收并分別濾出Anti-Stokes光和Stokes光，通過獲得兩者的強(qiáng)度之比，就可以得到對(duì)應(yīng)光纖中某點(diǎn)的溫度值[3]，采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測稱為分布式光纖測溫。

3分布式光纖測溫技術(shù)在電力電纜運(yùn)維中的應(yīng)用

3.1無錫配電網(wǎng)分布式光纖測溫系統(tǒng)

2010年國家電網(wǎng)公司在無錫配電網(wǎng)開展電力光纖到戶試點(diǎn)工程，工程中采用光纖復(fù)合低電壓電纜（OPLC）承載自動(dòng)化信息，并同步開展分布式光纖測溫技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行電力電纜溫度在線監(jiān)測。

分布式光纖測溫系統(tǒng)主要由DTS測溫主機(jī)、測溫光纜及電力電纜狀態(tài)監(jiān)測（CSM）主機(jī)三部分組成，如圖1所示。

圖1分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 DTS測溫主機(jī)

DTS測溫主機(jī)由內(nèi)置激光器、波分復(fù)用器、光開關(guān)、濾波器、高速數(shù)據(jù)采集單元、高速數(shù)據(jù)處理單元、繼電器、RS485、RJ45、MODBUS、LED 等組成[4]。DTS 測溫主機(jī)安裝于變電站的監(jiān)控室內(nèi)，并與測溫光纜相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜表面溫度信息的采集、處理，輸出溫度報(bào)警信息。目前針對(duì)電力探測領(lǐng)域應(yīng)用的分布式光纖測溫主機(jī)具有模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、價(jià)格低、性能高、系統(tǒng)穩(wěn)定和便于維護(hù)，系統(tǒng)測量速度快，并可精確的定位事故點(diǎn)；同時(shí)系統(tǒng)的報(bào)警方式更加靈活，可以多重報(bào)警疊加，大大提高報(bào)警效率。

3.1.2測溫光纜

測溫光纜沿著電力電纜表面敷設(shè)并固定，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。

根據(jù)探測光纜的安裝方式，可分為內(nèi)置式光纖測溫系統(tǒng)和外置式光纖測溫系統(tǒng)。內(nèi)置式光纖測溫系統(tǒng)是將探測光纜敷設(shè)于電力電纜內(nèi)部的絕緣屏蔽和金屬護(hù)套之間；而外置式光纖測溫系統(tǒng)是將光纜敷設(shè)在電力電纜外護(hù)套之外。探測光纜的內(nèi)置式和外置式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

表1探測光纜內(nèi)置式和外置式特點(diǎn)

綜合考慮以上2種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中外置光纖的方式更適合電纜測溫。3.1.3 CSM主機(jī)

CSM主機(jī)安裝于變電站監(jiān)控室或者中央控制室內(nèi)，通過以太網(wǎng)或modbus等通信接口與DTS測溫主機(jī)通信，以及與外部網(wǎng)絡(luò)通信。CSM軟件內(nèi)置于CSM主機(jī)內(nèi)，主要功能為：實(shí)現(xiàn)對(duì)DTS測溫主機(jī)參數(shù)設(shè)置，如通道選擇、監(jiān)測區(qū)域劃分、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、通信參數(shù)設(shè)置等；采集和顯示電纜表面的溫度數(shù)據(jù)和溫度曲線；計(jì)算電纜導(dǎo)體溫度數(shù)據(jù)，并顯示溫度數(shù)據(jù)和溫度曲線；實(shí)現(xiàn)對(duì)被測電纜布局的組態(tài)；輸出多級(jí)報(bào)警等。

3.2實(shí)例分析

3.2.1無錫金域藍(lán)灣小區(qū)分布式光纖測溫系統(tǒng)

無錫金域藍(lán)灣小區(qū)分布式光纖測溫系統(tǒng)是在配電無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用合波技術(shù)和高速信號(hào)采集與DTS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力電纜溫度數(shù)據(jù)的采集、處理、識(shí)別以及報(bào)警輸出等功能。

該小區(qū)供配所至7號(hào)樓10 kV電纜采用了外置式進(jìn)行在線監(jiān)測。分布式光纖測溫系統(tǒng)現(xiàn)場安裝如圖2所示，CSM主機(jī)和DTS測溫主機(jī)均安裝于監(jiān)控室的控制柜中，探測光纜沿著電纜表面敷設(shè)，且每隔1 m使用尼龍?jiān)鷰Щ蚬潭▕A具進(jìn)行綁扎，探測光纜安裝如圖3所示。

探測光纜將溫度信息傳輸?shù)紻TS測溫主機(jī)進(jìn)行處理。DTS測溫主機(jī)與CSM主機(jī)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，CSM主機(jī)內(nèi)置的軟件可以對(duì)DTS測溫主機(jī)及監(jiān)測范圍進(jìn)行配置，DTS測溫主機(jī)將溫度信息傳輸給CSM內(nèi)置軟件進(jìn)行后期處理，輸出實(shí)時(shí)電纜溫度及報(bào)警信息等。

3.2.2分布式光纖測溫系統(tǒng)測試

待工程施工及軟件配置完成后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，通過觀察監(jiān)控界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以時(shí)刻掌握被測電纜的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

圖3探測光纜安裝示意圖

監(jiān)控界面顯示了項(xiàng)目名稱、工控機(jī)CPU的使用率與內(nèi)存的使用率、DTS分布式距離至用戶對(duì)象距離的映射圖、各個(gè)點(diǎn)的分布式溫度信息，通過觀察這些信息，可隨時(shí)掌握電纜的運(yùn)行溫度、溫度曲線等狀態(tài)信息。一旦電纜發(fā)生局部過熱，將在監(jiān)控界面上顯示出溫度異常信息，彈出報(bào)警信息框，并啟動(dòng)短信模塊，發(fā)出報(bào)警信息。

分布式光纖測溫系統(tǒng)對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)的溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，采用多種報(bào)警方式提醒用戶，以便盡早采取行動(dòng)，避免事故發(fā)生。

4結(jié)束語

在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的情況下，電力設(shè)備的溫度監(jiān)測將會(huì)受到越來越多的重視。分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供待測電纜全程的表面溫度、導(dǎo)芯溫度、接頭溫度等信息，且具有抗干擾、本征安全、測量距離遠(yuǎn)、精度高、定位準(zhǔn)等優(yōu)勢，是電力電纜在線狀態(tài)監(jiān)測的最佳手段。通過在電纜上安裝分布式光纖測溫系統(tǒng)，能夠?yàn)橛脩籼峁╇娎|實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在異常點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警，防止和杜絕電力事故發(fā)生，保證電纜運(yùn)行的安全性和可靠性。

[1]劉 媛，張 勇，雷 濤，等.分布式光纖測溫技術(shù)在電纜溫度監(jiān)測中的應(yīng)用[J]，山東科學(xué)，2008，21(6)：50-54.

[2]陳 軍，李永麗.應(yīng)用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2005，17(3)：47-49.

[3]何明科，張佩宗，李永麗.分布式光纖測溫技術(shù)在電力設(shè)備過熱監(jiān)測中的應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2007，8(10)：30-32.

[4]彭 超，趙建康，苗付貴.分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在線監(jiān)測電纜溫度[J]，高電壓技術(shù)，2006，8(32)：43-45.