田曉霄，李水清，陳泰，方臨川

(正泰電氣股份有限公司，上海 201610)

0 引言

電力電纜是電力傳輸?shù)闹匾d體，它的運行溫度制約著高壓超高壓輸配電系統(tǒng)的安全運行，溫度升高會使絕緣老化，泄露電流增大，最終導致絕緣擊穿。因此，無論是從電力電纜自身安全運行角度考慮，還是從電力系統(tǒng)調(diào)度需要角度考慮，都迫切需要建立高壓超高壓電力電纜實時在線測溫系統(tǒng)(HAEHVPCTOMS)[1]。

目前國內(nèi)外所采取的實時監(jiān)測溫度方法主要有點式測溫和線式測溫兩種。點式測溫主要是指將熱電偶等點式感溫裝置裝在電纜重要部位進行測溫，此方法只能測量局部位置溫度，而無法對動輒十幾公里的電纜線路實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測，而且測量精度也較低;線式測溫隨電纜本體全線敷設測溫光纖，基于光纖光柵原理的測溫、基于拉曼散射原理的分布式測溫原理，能連續(xù)測量和準確定位光纖所處空間各點的溫度，且測量精確度較高。因此，分布式測溫系統(tǒng)在電纜測溫應用前景較好[2－3]。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)的原理

1.1 光纖拉曼散射測溫原理

在光纖傳輸過程中當激光脈沖與光纖分子相互作用時，可以發(fā)生多種形式的散射，

拉曼散射(Roman散射)是由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，產(chǎn)生兩種光波，一種是隨溫度變化而變化的反斯托克斯光(Anti-Stokes光)，一種是與溫度無關(guān)的斯托克斯光(Stokes光)。分布式測量就是通過測量入射光和反射光之間的時間差，來計算出發(fā)射散射光的位置距離入射端的長度。

用反斯托克斯光和斯托克斯光的比值表示溫度:

其中Ia、Is分別是反斯托克斯和斯托克斯的光強度，λa、λs分別是反斯托克斯和斯托克斯的波長;h為普朗克常量;c為光速;μ為每米波數(shù);k為波爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度[4]。

1.2 定位原理——光時域反射(OTDR)原理

OTDR技術(shù)主要用于檢驗光纖損耗特性及光纖故障，同時也是分布式光纖測溫系統(tǒng)距離定位的基礎。技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 光纖光時域反射原理圖

入射光脈沖經(jīng)過傳感光纖的一端F，其中大部分光脈沖從光纖末端消失，一小部分由光纖反射回來。設后向反射光從光纖中點到F斷所需的時間為t/2，則:

式中v為光在光纖中傳播的速度，C為光速，n為光纖折射率。

因此利用光時域反射技術(shù)可以確定沿光纖溫度場中每個溫度采集點的距離及異常溫度點、光纖斷裂點的距離定位信息[5－6]。

1.3 溫度的標定

在實際的測量中，為了解決溫度傳感器的溫度基準問題，需要在光纖上設置定標區(qū)。將定標區(qū)設置在光纖的前200 m，放入恒溫箱作為參考光纖，設置溫度為T0，則:

在設定定標區(qū)后，通過R(T)的值來確定沿光纖各測量點的溫度值[7]。

2 分布式測溫系統(tǒng)的組成

分布式光纖測溫系統(tǒng)主要由光纖激光器、傳感光纖、光纖定向耦合器、光纖波分復用器數(shù)據(jù)采集與信號處理等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

將傳感光纖放置在待測溫度場中，由DSP處理器發(fā)出控制脈沖，啟動脈沖光纖激光器開始工作，同時發(fā)出指令啟動高速采集模塊進行數(shù)據(jù)采集和處理。激光在光纖中傳輸時，通過分光器，可以分 別 濾 出 Stokes光 和 Anti-Stokes光。兩種光在APD中進行光電轉(zhuǎn)換，Anti-Stokes光攜帶有溫度信息，Stokes光作為參考光源;兩路光電轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過放大電路，被高速數(shù)據(jù)采集模塊采集并處理成溫度信息，并傳輸給DSP處理器，并將結(jié)果提供給PC機供操作者使用查詢。

3 分布式測溫系統(tǒng)的實現(xiàn)

分布式測溫系統(tǒng)主要由高速的AD9288和TMS320vC5402 DSP完成對信號的采集，并通過串行通信的方式將數(shù)據(jù)傳送給液晶屏，即采用串口將采集到的數(shù)據(jù)送到上位PC機。

3.1 高速數(shù)據(jù)采集電路的實現(xiàn)

高速數(shù)據(jù)采集電路性能是整個系統(tǒng)信號處理的關(guān)鍵，高速數(shù)據(jù)采集電路主要分為光電轉(zhuǎn)換電路和高速A/D轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換電路部分的主要器件為APD和運算放大器AD708，電路圖如圖3所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路圖

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

為達到高速數(shù)據(jù)采集目的，采用FPGA直接控制A/D轉(zhuǎn)換的方式達到。由系統(tǒng)精度的要求，A/D的轉(zhuǎn)換速率要達到100 MHz，而且是兩路信號輸入并且模擬帶寬不能小于100 M，綜合性價比選擇ADI公司的AD9288。將采集到的數(shù)據(jù)傳送給 DSP處理，其測溫電路圖如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

3.3 系統(tǒng)軟件部分的實現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)運行軟件流程圖

應用分布式光纖測溫技術(shù)獲取溫度之后，針對電纜監(jiān)測的特點，還定制了專門用于電纜溫度在線監(jiān)測的軟件功能。以便進行數(shù)據(jù)的獲取、計算和報警顯示。系統(tǒng)軟件運行流程如圖5所示。

4 分布式光纖測溫系統(tǒng)在線監(jiān)測電纜溫度

針對電力行業(yè)220kV高壓電纜的分布式光纖測溫的實際工程應用，設計過程中選用了低煙無鹵阻燃性非金屬感溫光纜。該型號光纜為多模光纖，參數(shù)要求衰減＜2.4 dB/km。探測光纜采用外置式安裝方式沿著電纜表面敷設，且每隔1 M用光纜固定夾具進行綁扎。這種安裝方式簡單，制造和安裝成本低，光纖熔接點少，具有更佳的光纖衰減。對該系統(tǒng)進行室內(nèi)實驗，并與熱電偶測量值進行比較，其結(jié)果如表1所示。

表1 測溫試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

采用分布式光纖測溫技術(shù)，利用拉曼散射原理和OTDR原理，開發(fā)了以DSP和FPGA構(gòu)成的信號處理單元，通過一系列軟件算法處理，可以實時監(jiān)測電纜溫度，并對電纜故障進行精確定位。試驗表明，系統(tǒng)在線測溫誤差較小，實時性能較好，可以為用戶提供電纜實時運行狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障。

[1]趙勇.光纖傳感原理與技術(shù)[M].北京:淸華大學出版社，2007，8.

[2]李圣普，王小輝.分布式光纖測溫在動力電纜溫度監(jiān)測中的應用[J].計算機與數(shù)字工程.2012，11(40):99－101.

[3]周蕓，楊獎利.基于分布式光纖溫度傳感器的高壓電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高壓電器.2009，45(4):74－81.

[4]李杰.電力電纜分布式測溫系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學，2012.

[5]孫靜，趙子玉.電力電纜溫度實時在線監(jiān)測[J].電線電纜.2011，2(1):40－46.

[6]郝學磊，陳鵬.基于分布式光纖測溫的電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用[J].通信電源技術(shù).2013，30(2):59－60.

[7]徐元哲，王樂天.電力電纜接頭測溫系統(tǒng)的設計[J].高電壓技術(shù).2009，35(12):2977－2980.