电缆故障检测中温度传感的研究

摘要：电缆故障监测是避免电缆故障发生率的一个重要技术方法，常见的电缆监测方法有烟雾传感、感温电缆热电偶等。近年来，随着光纤技术的发展，一种分布式光纤传感技术开始得到采用。

关键词：电缆故障；在线监测；OTDR；分布式光纤传感技术

中图分类号：TM247 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 22-0000-01

Temperature Sensor Study in the Cable Fault Detection

Zhou Jianjian

(Optical Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210000,China)

Abstract:Cable fault monitoring is to avoid the cable failure rate is an important technical methods,common cable monitoring method smoke sensor,temperature thermocouple cables and so on.In recent years,with the fiber-optic technology,a distributed optical fiber sensing technology began to be used.

Keywords:Cable fault;Line monitoring;OTDR;Distributed optical fiber sensing technology

目前我国很多城市都是采用电缆方式供电，由于电负荷的不断增长电网承受了非常大的供电压力。温度能够反映电缆运行状况是否良好，如果电缆长期运行在不好的状态运行温度过高，电缆就会老化以至发生故障。为确定电缆系统最佳工作状态避免电缆在高温下运行并有效利用电缆传输资源，就需要对所安装电缆及其环境进行实时准确的温度监测。

一、电缆温度在线监测技术

传统的常用电缆温度监测方法主要有：烟雾传感器、感温电缆、热电偶等。当烟雾达到一定浓度烟雾传感器会产生警报，但是这种传感器无法对火灾的发生做出提前警告。感温电缆，它通过附设在电缆上的感温钢丝预先设置的定值，当电缆温度超过这个设定值时，感温电缆中的钢丝就会发生短路从而继电保护装置就会断电。使用很不方便因为感温电缆中的钢丝一旦短路后就不能复原，如需继续监测就必须重新附设；而且因为热敏器件对工作环境要求较高，由于电缆工作环境潮湿等原因，感温电缆工作性能并不稳定。热电偶相比与感温电缆能够显示温度值，缺点就是热电偶使用的是弱电，无法长距离传输，而且每个热电偶都需要独立的接线和信号转换，所以无法对于长距离的高压电缆的每一点都进行监测。

与传统常用电缆温度监测方法相比，分布式光纤测温技术可以很好很好的实现在线温度监测。光纤具有许多优点：如成本低、防水、防火、抗电磁干扰、长距离传输损耗低、易弯曲、体积小、重量轻等，并且光纤对温度环境因素十分敏感，对温度环境条件的变化将引起光波参量，如强度、频率等的变化，一根光纤就可以完成温度测量和数据传输。结构简单，安全可靠。分布式光纤沿光纤测量的温度数据连续，精确度高，受环境影响小，不存在盲点。可以实现对电缆的大范围长距离的实时在线温度监测

二、分布式光纤测温定位原理

光在光纤中传播时，光与传播介质会发生相互作用，光波与其作用后若散射光的频率不发生变化，只是方向发生了改变就是弹性碰撞。若是光波与传输介质作用后散射光的频率发生了变化即散射光的能量发生了变化，这就是非弹性碰撞。光在光纤中传播的过程中产生了瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射。瑞利散射是光与介质发生弹性碰撞的闪射光。而布里渊散射和拉曼散射是由非弹性碰撞引起的，频率与入射光频率不同，能量发生了改变。

（一）光纤光时域反射定位方法。因为光纤中介质折射率的不均匀性，当激光脉冲在光纤中传输时，就会发生散射。在传播过程里，入射光往后发生散射再传输回光纤的入射端所需时间为t，这样此激光脉冲在光介质中所走过的路程为2L，2L=v•t，v为光在光纤中传播速度， ；C为光在真空中的传播速度；n为光纤的折射率。一旦测出时刻t时，就可得到距光源散射的距离，也就能够定位散射到光纤入射端的距离。而接收光功率公式可表示为时间函数，即 ，其中S为后向散射因子； 为单位长度上的光后向散射系数； 为人射光的单位长度上的损耗系数。由此公式可以看出光探测器探测的光功率在同一光纤介质中是时间的函数，即光电探测器探测到的光功率也就是散射位置的函数，从而任何光纤散射位置L处的散射光的光功率都可以为探测器探测到。从而光纤光时域定位方法实现了对光纤任意处的散射的光强度的测量。

（二）光纤光时域反射测温原理。由于光纤线芯材质的密度的微观变化和成分起伏等因数，在光线中的散射光除了瑞丽散射外还有能量发生变化的拉曼散射。拉曼散射中有频率变大的蓝移的反斯托克斯光，和频率变小的红移的斯托克斯光。

斯托克斯拉曼散射光功率公式 （1-1）

反斯托克斯拉曼散射光功率公式 （1-2）

其中 、 分别光探测器探测到的斯托克斯散射光功率，反斯托克斯散射光功率： 表示入射光光功率。 、 分别表示斯托克斯拉曼散射光、反斯托克斯拉曼散射光在介质中的后向散射银子： 、 分别表示斯托克斯拉曼散射光、反斯托克斯拉曼散射光在介质中单位长度上的后向散射系数： 、 分别表示斯托克斯拉曼散射光、反斯托克斯拉曼散射光在光纤单位长度上的损耗系数：L表示光纤的长度。其中斯托克斯拉曼散射光后向散射因子 （1-3）反斯托克斯拉曼散射光后向散射因子 （1-4）其中 为波尔兹曼常数：T为所探测位置的绝对温度。

由上述四式所示在入射光，光纤介质，探测位置一定的情况下。拉曼散射的光功率只受探测位置处的绝对温度T影响。对（1-3）、（1-4）进行分析，可发现两种拉曼散射光光功率都受温度影响，但是反斯托克斯光的光功率受温度影响的幅度大得多。在光时域反射仪中被测温度一般用斯托克斯散射光来解调反斯托克斯散射光的方法来解调，其温度T的表达式为 （1-5）其中R（T）为反斯托克斯光和斯托克斯光的光强之比、 为普朗克常数、 为偏移波数。 为波尔兹曼常数、 为定标温度。

三、结束语

随着我国经济建设规模的不断增大以及城市建设的迅猛发展，需要不断的加强对电缆在线监测的能力。电缆是否正常工作的一个重要参数是运行温度。为了监测运行温度可以将感温光纤绑扎在电缆外护套上，也可以沿电缆线路进行敷设，这样就可以掌握整个线路的工作温度情况，也就大致了解了整个线路的工作环境以及工作状况。由于光线价格便宜，工作环境要求低。安装使用也很方便。分布式光纤测温系统具有广泛的应用前景

参考文献：

[1]勾宝亮.光纤测温装置在变电运行中的应用[J].科技创新导报,2009,16

[2]张达伟.光纤测温系统信号处理方法的研究与实现[D].大连:大连理工大学,2008