趙生傳 陳志勇 時 翔 王華廣

（1.青島供電公司，山東 青島 266002；2.山東電力集團公司，濟南 250001）

作為電力系統(tǒng)中承擔(dān)電能傳輸不可或缺的重要組成部分，地下電纜具有對環(huán)境的影響小，供電安全可靠的優(yōu)點，但由于其長埋地下也容易受各種因素影響造成溫度升高而發(fā)生火災(zāi)[1]。因此，有必要對地下電纜的溫度進行監(jiān)測。由于電纜局部接頭過熱和過負荷是導(dǎo)致電纜溝發(fā)生火災(zāi)的直接原因，因此必須采用一種能夠連續(xù)監(jiān)測電纜表面溫度的測溫系統(tǒng)才能避免火災(zāi)事故的發(fā)生。分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)作為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，具有防爆、防腐蝕和抗強電磁干擾等優(yōu)點，同時能夠?qū)﹄娎|的溫度趨勢進行清晰的顯示，并可實現(xiàn)長期的實時監(jiān)測，同時可將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動存于電腦中，為實現(xiàn)溫度變化的差動監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)[2]。本文對基于分布式光纖的地下電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計。

1 分布式光纖傳感器的原理

光導(dǎo)纖維作為20世紀一項偉大的技術(shù)，自1970年美國成功研制出第一根衰減常數(shù)小于20dB/km的光纖來，光纖通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展[3]。光纖本身即可構(gòu)成進行信息交換的物理基礎(chǔ)，而無需將待測物理量與其內(nèi)的傳導(dǎo)光相聯(lián)系，這樣雖然由于光在其中傳播時特性已經(jīng)被調(diào)制，但通過檢測調(diào)制光的特性仍能感知外界的信息，這就是光纖傳感器的測量原理。通常將光纖傳感器分為兩類[4]：一類是非功能傳感器，另一類是功能型傳感器。在非功能型光纖傳感器中光纖只是作為光傳播的介質(zhì)，而通過其他器件來感知外界信息；功能型傳感器同時將光纖作為測量元件和傳感元件，將檢測和傳感的功能合為一體，光纖不僅僅起到了傳輸光的作用，而且還利用光纖的特性來實現(xiàn)感知的功能，在電纜溫度檢測中所使用的分布式光纖傳感器（FODT sensor）通常是功能型傳感器，其工作原理是隨著電纜溫度的變化其背向散光的強度也會變化，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光纖傳感器原理圖

背向散射光通常由斯托克斯散入射光和斯托克斯發(fā)射光組成，雖然這兩種光的波長不同，但可將光強的比例轉(zhuǎn)化為溫度的讀數(shù)，溫度關(guān)系的表達式為

其中，Is為斯托克入射光強度；Ias為斯托克反射光強度，h為普朗克系數(shù)，c為真空中光的速度，k為波爾曼常數(shù)，vΔ為波數(shù)，T為絕對溫度。

根據(jù)光開始注入到反射光返回所需的時間可計算電纜的長度，光在光纖中的傳播速度是0.2nm/s，因此光注入到反射光返回的時間每10ns都可轉(zhuǎn)換為1m的光纖長度，稱為光纖時域反射儀（FODT）。使用FODT傳感器測量電纜的縱向溫度時通過單根光纖可同時測量多點溫度，由于光纖的非金屬特性，因此其與電纜即使構(gòu)成一體也不會受電磁感應(yīng)的干擾，穩(wěn)定性極高。

2 光纖溫度傳感系統(tǒng)的溫度信號的解調(diào)方法

在對地下電纜表面溫度監(jiān)測的實際應(yīng)用中通常是利用斯托克斯反射光，F(xiàn)ODT傳感器便是利用了斯托克斯反射光作為空載波，在光纖傳輸?shù)倪^程中由于其受到了被測對象表面溫度的調(diào)制因此由空載波轉(zhuǎn)換為了調(diào)制波，這樣就攜帶了被測對象的具體信息。FODT傳感器溫度信號解調(diào)方法主要有單通道溫度信號解調(diào)方法和雙通道溫度信號解調(diào)方法兩種，本文提出了改進的雙通道溫度信號解調(diào)方法。該方法是根據(jù)斯托克斯反射光作為參考通道的，不斷消除了環(huán)境的干擾，而且不受接頭損耗和光源漂移的影響。完成反射光的測量后根據(jù)其比值來推斷相應(yīng)的溫度信息及對應(yīng)的位置，再繪制出沿整條光纖的溫度分布。具體過程如下：首先，得到整條光纖在T=T0時的斯托克斯入射光和反射光，即

本文所提出的改進的雙通道溫度信號解調(diào)方法有效地消除了光源不穩(wěn)定所帶來的耦合損耗、光纖傳輸損耗等帶來的影響，具有一定的應(yīng)用價值。

3 地下電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

所設(shè)計地下電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

首先由分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)生很窄的泵浦光源，脈沖能量為0E，脈沖寬度為TΔ，經(jīng)過光纖放大器EDFA的功率提升后通過光纖分路器FBU耦合長度為10km傳感光纖，然后產(chǎn)生了反射光，再經(jīng)過光纖分路器耦合進行分離和濾波，從而得到了攜帶溫度信號和參考信號的反射光，完成了溫度信號的采集工作。從光濾波器分離出來的反射光在進入雪崩二級管APD完成光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過前級的放大和信號探測作用，此時所攜帶的溫度信號已經(jīng)轉(zhuǎn)換為了電平形式，而且電信號十分微弱，因此應(yīng)通過放大器對此信號進行放大，并在AD9058數(shù)模轉(zhuǎn)換器中完成了數(shù)模轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的采樣信號由CPLD邏輯控制單元提供，將模擬信號轉(zhuǎn)換為了數(shù)字信號，并將此信號儲存在隨機存儲器SRAM中，通過單片機的RS232串口將所采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳遞至上位PC，上位PC配置了溫度顯示界面，實時地顯示地下電纜表面溫度。此外，該上位PC還具有對數(shù)字信號進行處理和分析的功能，最終可以得到對應(yīng)點的溫度場信息。這樣，在脈沖光發(fā)出后即可通過反射信號實現(xiàn)溫度的多點采集，獲得光纖軸向的溫度場分布，實現(xiàn)了分布式溫度傳感功能。

4 結(jié)論

本文基于分布式光纖傳感器的原理，設(shè)計了地下電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)，解決了普通測溫系統(tǒng)連續(xù)性差的問題，取得了良好的應(yīng)用效果。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于地下電纜表面溫度的監(jiān)測，而且可以在發(fā)電廠、變電站的電纜夾層及大型電纜隧道中進行應(yīng)用。

[1] 黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].成都: 電子科技大學(xué)出版社,1995.

[2] 張在宣,劉天夫,張步新,等.激光拉曼型分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報,1995,15(11):1585-158.

[3] 歐陽方平,周勝軍,康宏向.分布式光纖溫度傳感器的溫度測量與信號處理方法及實現(xiàn)[J].激光雜志,2002,23(6):59-61.

[4] 周勝軍,張志鵬.提高分布式光纖溫度傳感器測量準確性的方法[J].光學(xué)儀器,1997,19(6):3-8.

[5] 史曉峰,李錚,蔡志權(quán).分布式光纖測溫系統(tǒng)及其測溫精度分析[J].測控技術(shù),2002,21(1):9-12.