分布式光纤测温技术在电缆监测中的应用

分布式光纤测温技术在电缆监测中的应用

何超

（江苏中能硅业科技发展有限公司江苏徐州）

摘要：本文介绍了分布式光纤测温技术在国内外发展的现状，阐述了基于拉曼散射系统的基本原理，以及分析了分布式光纤测温技术在企业电缆中的应用，以实例证明了分布式光纤测温系统是电缆在线监测实现诊断及定位技术的最有效手段之一。

关键词：分布式光纤测温；电缆；在线监测

引言

电力电缆故障往往是绝缘水平下降，泄露电流增大，损耗增加，导致温度升高；温度升高又进一步使绝缘老化，泄露电流增大，温度再升高，最终导致绝缘击穿，或者发生火灾。防止电缆火灾是保证电力系统安全运行的重要方面。若能在事故发生早期通过温度测量进行预警并迅速采取有效措施，就能有效避免此类事故。

传统的测温方法采用点式感温元件装在电力电缆的重要部位进行测温，此方法只能对电缆系统局部位置进行测温，无法对整条电缆线路实现温度在线监测。而分布式光纤测温系统能够实现多点在线的分布式测量，其中光纤既作为传感元件感知温度信息又作为信息载体传输温度信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、本征安全、传输距离远、高带宽、高温度分辨率、高空间分辨率、定位精准等优点，可有效实现电力电缆全线温度在线监测，实时监测电缆的温度，及时发现和定位温度异常点，并输出报警信息，提高了电缆的运行安全性和可靠性。

1.分布式光纤测温技术简介

目前，光纤测温技术主要采用两种基于拉曼散射的温度传感技术，一是基于拉曼光时域反射技术的分布式光纤传感技术；二是基于拉曼光频域分析技术的分布式光纤传感技术。

基于分布式光纤传感技术的优势，其理论和应用研究一直是国内外研究的热点。1981年英国的南安普敦大学首次提出了分布光纤温度传感器系统的定义，1987年英国YORK技术有限公司首次推出了商品化的拉曼后向散射效应的分布式光纤温度传感（DTS）系统。目前，国外关于分布式光纤测温系统的研究已经相当成熟，其测量距离最长可达30Km，温度分辨率最高可达0.5℃，空间定位精度最高可达0.5m；而国内同类产品的监测距离最大为5Km，空间分辨率为2m，温度分辨率为1℃，国内产品相比国外产品在性能指标上还存在一定的差距。为了缩小与国际同类产品的距离，未来发展重点在于提高该产品的测量距离、空间分辨率、温度分辨率以及产品的其他性能指标。

2.分布式光纤测温技术的工作原理

当一束光在光纤中传输时，会产生散射光。光纤中的散射一般包括瑞利散射（RayleighScattering），拉曼散射（RamanScattering）和布里渊散射（BrillouinScattering）。

当激光脉冲在光纤中传播时激光脉冲光子与光纤分子的热振动相互作用发生能量交换产生拉曼散射光。具体的说，当光能转换成热振动时，散射出比入射光波长长的拉曼斯托克斯（RamanStokes）光；当热振动转换为光能时，散射出比入射光波长短的拉曼反斯托克斯（RamanAnti-Stokes）光。

斯托克斯光的频率比入射光频率低，反斯托克斯光频率比入射光频率高，斯托克斯光只与光纤的损耗、应力、拉力、弯曲、挤压等因素有关，受温度影响很小，可以忽略不计；反斯托克斯光除受光纤的损耗、应力、拉力、弯曲、挤压等因素影响外，还与温度有很大关系，光纤的温度越高，反斯托克斯光越强。在光纤中，激光传输到任意一点都会在此产生拉曼散射光，并且产生的拉曼散射光均匀分布在整个空间角内，其中一部分被光纤重新捕获，沿光纤原路返回，称作后向拉曼散射光。通过波分复用器和带通滤光片可以分离出后向散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光，分别采集两路光信号的强度，用反斯托克斯光强与斯托克斯光强相比，就可以得到只有温度高低有关的信号。经波分复用器分离出的两路光信号，分别由雪崩光电二极管将光信号转换为电信号，再经放大器对电信号放大，送到数据采集卡进行累加平均，便得到精确的光强度量化值。光在光纤中以一定的速度传播，通过测量入射光和后向散射光之间的时间差，及光纤内的光传播速度，可以计算不同散射点的位置距入射端的距离，从而可以得到光纤沿程几乎连续的温度分布。

3.分布式光纤测温技术的实际应用

这种实时的温度检测技术已应用在江苏中能硅业科技发展有限公司的电缆中，已正式投入运行。在室外电缆桥架，包括室外管廊上的10KV以上的电缆（含单芯、三芯电缆），变电所内的电缆夹层及内部的电缆沟，均根据相应的要求进行了S型敷设。测温光纤即可安装在电缆内部亦可安装在电缆外部，但是安装在电缆内部需要在电缆制造过程中实现，所有我们采用将光纤安装在电缆外部，这样安装简单，电缆制造和安装成本低，可在运行多年后加装，可替换。对于电缆接头，采用了双环形缠绕方式固定在接头处。

基于分布式光纤测温的电缆监测系统采用了C/S结构，相比于B/S模式功能更为强大，各种查询及统计报表格式更符合日常工作习惯，也为系统的不断完善和功能的不断增加提供了方便。DTS采集系统负责进行测温，将所得的数据保存在数据库服务器中，中心服务器完成综合监视、数据管理、事件管理、台账管理、统计管理和系统管理。用户通过监控界面可随时掌握电缆的运行温度、温度曲线等状态信息。一旦电缆发生局部过热，将在监控界面上显示出温度异常信息，弹出报警信息框。

分布式光纤测温系统对电缆运行状态的温度信息进行实时监测，能及时发现潜在故障，采用多种报警方式提醒用户，以便尽早采取行动，避免事故发生。

4.结束语

基于分布式光纤测温系统的电力电缆在线监测系统，通过将导线、电缆张力、温度和电气相关信息结合，不但能够实现实时对电力电缆负荷情况的在线监测，还能够及时、准确地进行限制电缆载流量，更为重要的是，通过将故障信息和温度信息进行实时显示处理，能够对电力电缆故障进行及时报警，迅速准确地确定电力电缆的故障点位置，大大提高了供电的可靠性。分布式光纤温度测量技术时目前电缆在线监测最有效的手段之一。

参考文献：

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[2]刘媛，张勇，雷涛，等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用，山东科学，2008，21（6）：50-54

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