分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究

摘要： 针对电力电缆安全监测的应用需求，提出了一种以拉曼分布式光纤温度传感技术为核心的分布式光纤载流量/温度安全监测系统设计方法。该系统利用拉曼分布式光纤温度传感器对电网中的电力电缆线路的温度、载流量等运行状况进行全方位实时智能监测。试验结果表明，该系统可实现20 km的电缆导体温度和载流量运行状态监测预警，计算导体温度与实测导体温度最大偏差不超过1 ℃，定位精度0.5 m，采用有限元算法得到的电缆温度和电缆载流量的对应关系与实际情况基本吻合。

关键词： 光纤传感器； 拉曼散射； 电力电缆； 载流量/温度

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.01.015

引言 随着经济社会的发展，对电的需求量越来越大，水电、火电、可再生发电系统、城市变电的大规模建立，电缆输电任务随之加大，如何来保证电缆的安全正常有效的运营，保障电缆资产价值，成为一种迫切需要解决的问题。电缆运行不安全因素主要为电缆在运行时电缆发热，导致电缆温度过高致使电缆发生火灾。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点。目前国内外研究机构用光纤传感监测技术对电力电缆在线测温及载流量[1]的安全监测的研发和应用大多还处于初期研究阶段，应用也基本停留在对个别设备和某个部件的监测上。比如Micron Optics公司推出的光纤点式测温系统实现对风力发电机组的温度检测。基于拉曼分布式光纤温度传感技术的分布式光纤载流量/温度安全监测系统，不仅具有普通光纤传感器的优点，而且还具有对光纤沿线各点的载流量/温度的分布式传感能力。利用这种特点可以连续实时测量光纤沿线几十公里内各点的温度。定位精度≤1 m，测温精度可达1 ℃，非常适用于高压电力电缆的载流量/温度传感监测的应用场合。1系统工作原理分布式光纤载流量/温度安全监测系统由拉曼分布式光纤测温传感器、感温光缆、载流量软件以及电流记录仪组成。拉曼分布式光纤测温传感器[24]能对电力电缆全线温度进行周期性实时在线监测，对极易出现故障的电缆接头进行重点监测。该项技术利用光纤作为传感器，将光纤直接敷设在被测物体表面，在一定条件下被测物体各个位置的温度信号会以光波的形式回传到光纤端部，最终被提取并显示出来。这种技术只需一根或几根光纤就可以监测长达数十公里的线型设备或点式设备。光纤的拉曼散射与温度有着密切的关系。依据光时域反射测定法[5]，将短促的激光脉冲按精确的时间间隔注入光纤之中。在同一根光纤中，散射光的强度随时间呈现出指数衰减。如果知道光在光纤中的传播速度，就能计算出距离。从该指数衰减的偏差就能得出温度。光纤既是该信号的生成器，又是该信号的渠道。反射光被分流到传感器中来加以解码。在光纤测温系统连接的监控屏上能同时显示距离和温度数据。利用此技术把光纤与被测高压电缆采用接触方式安装，测出高压电缆表面温度，根据表面温度，电缆结构，辐射环境等因素，精确计算出电缆的线芯温度，通过线芯温度计算出通过线芯的载流量，并给出电缆对应分区的最高温度，电缆的运行温度和电缆的负荷水平，对温度异常点进行报警。光学仪器第35卷

第1期杨斌，等：分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究

拉曼光强差和温度为：Pa/Ps∝exp（-h・c・Δν/kT）（1）式（1）中，Pa表示为拉曼散射反斯托克斯光Antistokes功率，Ps为 拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h为普朗克常数，c为光速，Δν为拉曼频移量，T为温度。温度探测距离为 z=tV/2（2）其中，t表示两倍定点距离光传播时间，V为光纤中光速。2系统的结构与功能设计分布式光纤载流量/温度安全监测系统：系统由中控室、分布式光纤温度传感器、数据采集器（PLC）、光纤（缆）等设备组成。系统结构图如图1所示。分布式光纤载流量/温度安全监测系统可以通过电缆温度的监测计算得到电缆载流量变化情况。同时在电缆隧道中实现高温危险报警。主要功能包括：（1）分布式光纤温度传感器准确实时测量整条电缆的温度分布。它的探测范围：30 km，温度精度：1 ℃，定位精度：1 m；图1系统结构图

Fig.1The system structure diagram