光纖測溫技術(shù)在無軌電車輸電電纜上的應(yīng)用

北京公共交通控股（集團(tuán)）有限公司 邵 強(qiáng) 趙汝亮

受技術(shù)水平限制，利用紅外測溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、傳統(tǒng)的點(diǎn)式測溫系統(tǒng)均無法實現(xiàn)對無軌電車輸電電纜溫度長距離實時在線監(jiān)測，尤其是對地下封閉環(huán)境的溫度監(jiān)測更是無能為力。而分布式光纖測溫系統(tǒng)可解決這一難題。

1 分布式光纖測溫技術(shù)簡介

分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS）的工作原理是，利用光在光導(dǎo)纖維中傳輸時產(chǎn)生的自發(fā)拉曼（Raman）散射和光時域反射（OTDR）原理來獲取空間溫度分布信息：如果在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，激光在光纖中向前傳播時將自發(fā)產(chǎn)生拉曼散射光波，拉曼散射光波的強(qiáng)度受所在光纖散射點(diǎn)的溫度影響而有所改變，通過獲取沿光纖散射回來的背向拉曼光波，可以解調(diào)出光纖散射點(diǎn)的溫度變化。根據(jù)光纖中光波的傳輸速度與時間的物理關(guān)系，可以對溫度信息點(diǎn)進(jìn)行定位（OTDR）。由于背向拉曼散射光波的強(qiáng)度非常微弱，因此需要采用先進(jìn)的高頻信號采集技術(shù)和微弱信號處理技術(shù)，經(jīng)過光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入信號處理器，解調(diào)出光纖各測溫點(diǎn)的溫度值；將采集的溫度數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過組態(tài)軟件展示各測溫點(diǎn)的溫度值和變化狀態(tài)。當(dāng)某一被監(jiān)測點(diǎn)的溫度超過系統(tǒng)設(shè)定的報警閾值時，自動啟動報警裝置通知值班人員處理。另外，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。

分布式光纖測溫技術(shù)具有連續(xù)分布、本質(zhì)安全、測溫精確、耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足無軌電車輸電電纜溫度監(jiān)測的所有要求。該測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由鎧裝測溫光纜、測溫主機(jī)（連續(xù)分布全光纖測溫儀）、預(yù)警管理終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端四大部分組成。根據(jù)需要可以采用多臺測溫主機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，擴(kuò)大測溫范圍。

2 光纖測溫技術(shù)的應(yīng)用與效果

北京公交集團(tuán)開展“分布式光纖測溫系統(tǒng)”應(yīng)用項目，對楊閘環(huán)島公交站到慈云寺橋部分路段的無軌電車輸電電纜運(yùn)行溫度實施在線監(jiān)測和預(yù)警。項目使用一臺4公里8通道的分布式光纖測溫儀（DSC-DTS4K-8P）布置在楊閘環(huán)島公交站內(nèi)的箱式變壓器中，共使用測溫主機(jī)的7個通道對架空段電纜、地埋段電纜及電纜接頭的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。其中1個通道用于監(jiān)測公交站內(nèi)的電纜，4個通道用于監(jiān)測走向三間房路二號閘箱的4根電纜，1個通道用于監(jiān)測公交站至架空處區(qū)域的電纜，1個通道用于監(jiān)測走向楊閘環(huán)島方向的2根電纜，另留有1個通道備用。測溫主機(jī)的7個通道分別連接的光纜長度（即監(jiān)測電纜長度）依次為2700米、2700米、1500米、1500米、800米、350米、400米。系統(tǒng)通過北京公交集團(tuán)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)傳到位于遠(yuǎn)端的北京公交電車公司供電所的管理終端，工作人員可以通過管理終端上的遠(yuǎn)端軟件隨時查看電纜運(yùn)行過程中的溫度狀況。

由于無軌電車輸電電纜有長距離的井下電纜和架空段電纜，故本項目研究了兩種新型結(jié)構(gòu)的測溫光纜，分別用來監(jiān)測架空段電纜及井下地埋電纜的實時運(yùn)行溫度。

架空段新型測溫光纜需要設(shè)計使用一種非金屬光纜，且該光纜要保證長時間防雨水、防陽光照射、耐高溫、可靠性強(qiáng)、溫度感測性能較好。這種新型架空電纜溫度監(jiān)測光纜是把傳感光纖放在一根充油塑料套管內(nèi)，這樣使光纜有很好的防水、防震性能；套管外面采用凱夫拉纖維緊密纏繞加強(qiáng)；最外層采用阻燃LSZH護(hù)套防護(hù)。傳感光纖為滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖芯，有很好的拉曼散射特性。

地埋段新型測溫光纜需要設(shè)計使用一種金屬鎧裝光纜，且該光纜要保證防潮性能良好、機(jī)械強(qiáng)度高（抗拉性、抗壓性）、可靠性強(qiáng)、溫度感測性能較好。這種新型地埋電纜溫度監(jiān)測光纜是由阻燃外層護(hù)套、不銹鋼軟管、不銹鋼編織層、芳綸紗及內(nèi)層光纖組成，具有良好的抗壓性和抗拉性，可在惡劣環(huán)境下長期使用，如無人力破壞（包括大力拉扯、強(qiáng)行彎折等行為）不會損壞。

本項目共敷設(shè)9980米測溫光纜，測溫光纜分為三種，其中使用1020米1芯非金屬測溫光纜監(jiān)測架空處電纜，使用180米8芯鎧裝測溫光纜監(jiān)測公交站至第一根電桿段的地埋電車電纜，使用8780米1芯鎧裝測溫光纜監(jiān)測其余部分地埋電車電纜。除敷設(shè)用量，施工過程中還存在一定損耗，共計使用12000米光纜。

無軌電車輸電電纜溫度監(jiān)測對測溫精度及定位精度要求較高，為保證檢測效果達(dá)到最優(yōu)，經(jīng)試驗測試，將測溫主機(jī)測溫精度定為1攝氏度，定位精度定為1米，測量周期縮短至每公里1秒。由于測量距離較長，我們將通用的波長為915納米的激光器改為1550納米波長的激光器，以保證長距離電車電纜的溫度監(jiān)測。

項目采用分布式光纖測溫系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：一是通過對楊閘環(huán)島公交站到慈云寺橋部分路段的地下電纜、部分架空電纜以及電纜中間接頭的實時在線監(jiān)測，了解電纜運(yùn)行過程中的溫度狀況。二是通過監(jiān)測到的溫度狀況實現(xiàn)定溫、差溫、差定溫報警功能，在電纜溫度發(fā)生異常時及時報警，并能根據(jù)長期累積數(shù)據(jù)實現(xiàn)預(yù)警功能，防患于未然。三是及時掌握被測電纜的故障趨勢，進(jìn)行智能分析，準(zhǔn)確定位故障位置，以指導(dǎo)電氣設(shè)備檢修工作，減少非計劃停運(yùn)，保障電車系統(tǒng)安全運(yùn)行。四是所有的數(shù)據(jù)實現(xiàn)分級管理、遠(yuǎn)程控制，為提高無軌電車運(yùn)行效率、調(diào)整發(fā)車頻次提供決策依據(jù)。

光纖測溫技術(shù)實現(xiàn)了無軌電車電纜及電纜接頭溫度的實時在線監(jiān)測，值得推廣應(yīng)用。