張春陽

(無錫供電公司，江蘇無錫 214061)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，能源問題日益突出。為了響應(yīng)國家走可持續(xù)發(fā)展道路的號召，國家電網(wǎng)決定大力發(fā)展智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)對可靠性和穩(wěn)定性的要求越來越高，給電網(wǎng)的日常運行維護工作也帶來了新的挑戰(zhàn)和機會。在電力系統(tǒng)中，電力電纜主要是用來進行電能的傳遞，電纜常常因長期運行而發(fā)生絕緣老化，由于所處外部環(huán)境惡劣及內(nèi)部高負(fù)荷電流而引起局部高溫甚至火災(zāi)，而傳統(tǒng)的運行維護方法主要靠人工進行日常巡視，這需要大量人力和設(shè)備，不能準(zhǔn)確、快速地反映電力電纜的健康狀況，大大影響了電網(wǎng)的安全、可靠運行。因此，很有必要對電力電纜進行實時在線監(jiān)測，從而能夠及時進行故障診斷和定位，使事故消除在萌芽狀態(tài)。智能配電網(wǎng)中光纖復(fù)合架空相線（OPPC）和光纖復(fù)合低壓電纜（OPLC）的大量使用，為分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力電纜在線監(jiān)測中的應(yīng)用打下了扎實的基礎(chǔ)。

基于分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢，其理論和應(yīng)用研究一直是國內(nèi)外研究的熱點[1]。1981年英國的南安普敦大學(xué)首次提出了分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)的定義，1987年英國YORK 技術(shù)有限公司首次推出了商品化的拉曼后向散射效應(yīng)的DTS 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)。目前，國外關(guān)于分布式光纖測溫系統(tǒng)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，其測量距離最長可達(dá)30 km，溫度分辨率最高可達(dá)0.5℃，空間定位精度最高可達(dá)0.5 m；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。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理及特點

1.1 定位原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)在時域中利用OTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）技術(shù)原理來對不同的溫度點進行精確定位。OTDR 技術(shù)基于光的瑞利散射和背向反射原理，當(dāng)光脈沖在光纖中進行信息傳遞時，光纖上的每一處都會發(fā)生散射現(xiàn)象，散射大小和光功率強弱成正比，光功率和光纖的衰耗情況有光。由于瑞利散射是全方位的，有一部分光會反向傳輸?shù)捷斎攵诵纬杀诚蛏⑸涔?，利用OTDR 探測器測量到的入射信號到達(dá)某測溫點后返回信號所用的時間，可以初步計算出該測溫點的位置[2]，即：

式（1）中：L為測溫點距離人射點的距離；C為光脈沖在真空中的速度；n為光纖纖芯的折射率大小；t為信號從發(fā)射到返回的時間。

1.2 測溫原理

DTS（Distributed Temperature Sensor）光纖分布式溫度測量系統(tǒng)利用光子的拉曼散射溫度效應(yīng)來實現(xiàn)溫度的檢測。光纖本身不僅進行信號傳輸，還用于探測溫度，即傳播傳感一體化。當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時，光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交換會產(chǎn)生拉曼散射。若一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動，則會產(chǎn)生一個比光源波長長的光，稱之為斯托克斯光（Stokes），如果一部分熱振動轉(zhuǎn)換成為光能，則會產(chǎn)出一個比光源波長短的光，稱之為反斯托克斯光（Anti-Stokes)[3-5]。

Stokes 光強：

Anti-Stokes 光強:

由于Stokes 光強度受溫度的影響很小，可忽略不計，Anti-Stokes 光強度會隨著溫度的變化而變化。而Anti-Stokes 光與Stokes 光的強度之比提供了一個關(guān)于溫度的函數(shù)關(guān)系式，即：

式（2—4）中：Ia，Is分別為Anti-Stokes 和Stokes的光強度；λa，λs分別為Anti-Stokes 和Stokes的波長；h為普朗克常量；c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；Δγ為偏移波數(shù)。

光在光纖中傳輸時后向拉曼散射光沿光纖原路返回，被光纖探測單元接收。測溫主機通過測量背向拉曼散射光中Anti-Stokes 光與Stokes 光的強度比值的變化就可實現(xiàn)對外部溫度變化的監(jiān)測。

1.3 工作原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)的原理是利用激光在光纖中傳輸時產(chǎn)生的拉曼（Raman）散射和光時域反射原理來獲取空間溫度的分布情況，其工作原理如圖1 所示。

圖1 工作原理圖

光發(fā)射機在同步控制單元的觸發(fā)下，形成一定周期和持續(xù)時間的短脈沖光，該脈沖驅(qū)動半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生大功率的光脈沖，脈沖光通過光耦合器連接到恒溫槽，然后進入傳感光纖。其中，恒溫槽用于系統(tǒng)標(biāo)定溫度。同時，雙向耦合器將散射回來的后向拉曼光耦合至光處理系統(tǒng)。通過分光器，濾出Stokes 光和Anti-Stokes 光，分別進入不同的光路進行處理。由于散射光中還夾雜著其它散射光和干擾光，所以需要對兩路光進行一定的帶通濾波處理。由于后向拉曼散射光的強度非常微弱，拉曼散射光進而通過APD（雪崩光電二極管）進行光電轉(zhuǎn)換和放大，得到一定范圍的有效電壓值。然后由數(shù)據(jù)采集單元進行高速數(shù)據(jù)采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后經(jīng)過信號處理器對信號進一步處理，便可將溫度信息實時計算出來。同時根據(jù)光纖中光的傳輸速度和后向光回波的時間對溫度信息定位。

工作人員根據(jù)實際情況預(yù)先在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定測溫光纖的始末長度與測溫的距離間隔，以每個點測得的溫度值作為提取對象，在數(shù)據(jù)提取程序下對這些點所在光纖上的刻度值進行定義，從而實現(xiàn)對監(jiān)測點的溫度值實時在線監(jiān)測。分布式測溫系統(tǒng)按照設(shè)定的間隔每隔一定時間針對所有監(jiān)測點記錄相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，隨著通信網(wǎng)絡(luò)的大力發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，線路長度越來越長，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也越來越大，相關(guān)管理和處理也越來越困難，如采用傳統(tǒng)人工的檢查和處理，則工作量非常巨大，且容易遺漏與出錯。分布式測溫系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)編程的方式來進行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、異常數(shù)據(jù)的檢驗、數(shù)據(jù)處理后的導(dǎo)出等操作，并能夠與常規(guī)溫度計實測溫度進行差值比較，按差值大小來進行自定義顯示，進行修改或者剔除等處理操作，提高了光纖數(shù)據(jù)前處理工作的效率。系統(tǒng)采用統(tǒng)計檢驗方法識別溫度異常值。統(tǒng)計檢驗方法采用統(tǒng)計理論進行觀測資料檢驗，因為有一定的數(shù)學(xué)依據(jù)和判斷標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上減少了分析人員的主觀性，也不依賴于分析人員的經(jīng)驗和技術(shù)水平。對于異常溫度測值，程序可以根據(jù)識別因子判斷并作出標(biāo)記，如果程序判斷為溫度異常數(shù)據(jù)，將通過操作將異常溫度測值直接剔除。

1.4 技術(shù)特點

傳統(tǒng)的電溫度傳感器包括傳統(tǒng)的熱電偶傳感器、熱電阻傳感器以及特殊的半導(dǎo)體傳感器等，這些傳感器容易受電磁干擾，同時易燃、易爆，腐蝕性差。由于是點式測量，有盲區(qū)，在現(xiàn)實工作中，也不便于安裝、布線，維護工作量大，成本高。分布式光纖測溫系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電纜感溫系統(tǒng)相比，有以下優(yōu)點：

（1）以光纖為媒介，光纖的纖芯材料為二氧化硅，耐腐蝕，不受電磁干擾，使用于特殊場合；

（2）線性測量，無盲區(qū)，可以準(zhǔn)確地測出光纖沿線任一點的溫度量，靈敏性高，信息量大，數(shù)據(jù)直觀；

（3）光纖體積小，重量輕，抗拉伸，同時纖細(xì)柔軟，便于安裝；

（4）監(jiān)測距離長（可至10 km），一條光纜即可完成控測和信號傳輸，所有設(shè)置都在終端完成，整個系統(tǒng)簡單穩(wěn)定，易于維護操作；

（5）溫度達(dá)到報警值，不影響系統(tǒng)的正常使用，可靠性高，使用壽命長。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力電纜中的應(yīng)用

2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于分布式光纖測溫的電纜監(jiān)測系統(tǒng)可采用B/S結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DTS 設(shè)備負(fù)責(zé)進行測溫，將所得的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，中心服務(wù)器完成綜合監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理、事件管理、臺賬管理、統(tǒng)計管理和系統(tǒng)管理。用戶可以通過操作終端連接到監(jiān)測服務(wù)器，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，完成各項任務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項操作功能。同時，該監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級互通接口實現(xiàn)與其他網(wǎng)管系統(tǒng)、資源管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等系統(tǒng)互通，從而實現(xiàn)資源共享。該監(jiān)測系統(tǒng)能查詢其他系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，其它系統(tǒng)也能從該在線監(jiān)測系統(tǒng)中提取自己所需的信息。通過這種基于B/S的模式控制簡單，系統(tǒng)擴展性好。

2.2 實際應(yīng)用效果

（1）無錫某電力管廊10 kV 電力電纜采用了外置式光纖測溫系統(tǒng)進行在線監(jiān)測。狀態(tài)檢測主機和DTS測溫主機均安裝于監(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 使用尼龍扎帶或固定夾具進行綁扎，探測光纜安裝示意如圖3 所示。

圖3 外置探測光纜安裝示意圖

探測光纜既可以作為溫度傳感器感應(yīng)溫度信息，又可以作為信息傳輸通道將相關(guān)溫度信息傳送給DTS 測溫主機進行處理。DTS 測溫主機與電力電纜狀態(tài)監(jiān)測主機之間通過TCP/IP 協(xié)議進行通信，通過檢測主機內(nèi)置軟件實現(xiàn)對DTS 測溫主機和監(jiān)測范圍進行相關(guān)配置，DTS 測溫主機將溫度信息傳送給電力電纜狀態(tài)監(jiān)測主機內(nèi)置軟件進行后期處理，輸出實時電纜溫度及報警信息等。

（2）無錫某小區(qū)1 號公配所至2 號樓的10 kV 電力電纜采用了內(nèi)置式光纖測溫系統(tǒng)進行在線監(jiān)測。狀態(tài)檢測主機和DTS 測溫主機均安裝于公配所的控制柜中，采用光纖復(fù)合電纜中的內(nèi)置光纖來進行探測，安裝示意如圖4 所示。

圖4 內(nèi)置探測光纜安裝示意圖

分布式光纖測溫技術(shù)在電力電纜中的應(yīng)用，可以有效地監(jiān)測電纜在不同負(fù)載下的發(fā)熱狀態(tài)，積累歷史數(shù)據(jù)；通過載流量分析，可以保證在不超過電纜允許運行溫度的情況下，最大限度地發(fā)揮電纜的傳輸能力，降低其運行成本；進行老化監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電力電纜上的局部過熱點，及時采取相關(guān)降溫措施，延緩電力電纜老化的速度；進行實時故障監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)電纜運行過程中的外力破壞等。

（3）電力電纜狀態(tài)監(jiān)測主機一般安裝于變電站監(jiān)控室或者中央控制室內(nèi)，電力電纜狀態(tài)測溫軟件通常內(nèi)置于主機內(nèi)，用戶可以通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以及時、準(zhǔn)確地了解電力電纜的工作狀態(tài)。分布式光纖測溫系統(tǒng)界面可以實時地顯示各電力電纜線路上的溫度分布曲線、各點溫度隨時間的變化曲線、不同區(qū)域的獨立報警、最高溫度的報警、溫度上升速率的報警等。

3 結(jié)束語

基于分布式光纖測溫系統(tǒng)的電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過將導(dǎo)線、電纜張力、溫度、垂度、信息和電氣相關(guān)信息相結(jié)合，不但能夠?qū)崿F(xiàn)實時對電力電纜負(fù)荷情況的在線監(jiān)測，還能夠及時、準(zhǔn)確地進行限制電纜載流量瓶頸點的溫度監(jiān)控和定位，方便了電力部門及時調(diào)整負(fù)荷和線路的日常維護，減少了由于停電對用戶帶來的經(jīng)濟損失。更為重要的是，通過將故障電量信息與溫度信息進行實時顯示處理，能夠?qū)﹄娏﹄娎|故障進行及時報警，迅速準(zhǔn)確地確定電力電纜的故障點位置，指導(dǎo)相關(guān)檢修人員及時趕到事故地點進行電力電纜修復(fù)，大大提高了供電的可靠性。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)是目前電力電纜在線監(jiān)測最有效的手段之一。

[1]張 穎，張 娟，郭玉靜，等.分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].儀表技術(shù)與傳器，2007，08(3)：1-2.

[2]AOYAMA K,NAKAGAWA K,ITOH T.Optical Time Domain Reflectometry in a Single-mode Fiber[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1981,17(6):862-868.

[3]劉 揚，侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)分析研究[J].電子設(shè)計工程，2009，17(1)：23-25.

[4]AHANGRANI M，GOGOLLA T.Spontaneous Raman Scattering in Fibers with Modulated Probe Light for Distributed Temperature Roman Remote Sensing[J].Journal of Lightwave Technology,1999(8):1379-1391.

[5]劉 文，楊坤濤，許遠(yuǎn)忠.基于自發(fā)Raman 散射分布式光纖測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].光通信研究，2005(4)：54-56.

[6]吳為國，茅 豐.基于無線通信技術(shù)的電纜測溫實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].江蘇電機工程，2013，32(3)：54-56.