地下電纜表面溫度監測系統的分析

趙生傳 陳志勇 時 翔 王華廣

（1.青島供電公司，山東 青島 266002；2.山東電力集團公司，濟南 250001）

作為電力系統中承擔電能傳輸不可或缺的重要組成部分，地下電纜具有對環境的影響小，供電安全可靠的優點，但由于其長埋地下也容易受各種因素影響造成溫度升高而發生火災[1]。因此，有必要對地下電纜的溫度進行監測。由于電纜局部接頭過熱和過負荷是導致電纜溝發生火災的直接原因，因此必須采用一種能夠連續監測電纜表面溫度的測溫系統才能避免火災事故的發生。分布式光纖溫度監測系統作為當前廣泛應用的溫度監測系統，具有防爆、防腐蝕和抗強電磁干擾等優點，同時能夠對電纜的溫度趨勢進行清晰的顯示，并可實現長期的實時監測，同時可將監測數據自動存于電腦中，為實現溫度變化的差動監測奠定了基礎[2]。本文對基于分布式光纖的地下電纜表面溫度監測系統進行了分析和設計。

1 分布式光纖傳感器的原理

光導纖維作為20世紀一項偉大的技術，自1970年美國成功研制出第一根衰減常數小于20dB/km的光纖來，光纖通信技術得到了迅猛的發展[3]。光纖本身即可構成進行信息交換的物理基礎，而無需將待測物理量與其內的傳導光相聯系，這樣雖然由于光在其中傳播時特性已經被調制，但通過檢測調制光的特性仍能感知外界的信息，這就是光纖傳感器的測量原理。通常將光纖傳感器分為兩類[4]：一類是非功能傳感器，另一類是功能型傳感器。在非功能型光纖傳感器中光纖只是作為光傳播的介質，而通過其他器件來感知外界信息；功能型傳感器同時將光纖作為測量元件和傳感元件，將檢測和傳感的功能合為一體，光纖不僅僅起到了傳輸光的作用，而且還利用光纖的特性來實現感知的功能，在電纜溫度檢測中所使用的分布式光纖傳感器（FODT sensor）通常是功能型傳感器，其工作原理是隨著電纜溫度的變化其背向散光的強度也會變化，結構如圖1所示。

圖1 分布式光纖傳感器原理圖

背向散射光通常由斯托克斯散入射光和斯托克斯發射光組成，雖然這兩種光的波長不同，但可將光強的比例轉化為溫度的讀數，溫度關系的表達式為

其中，Is為斯托克入射光強度；Ias為斯托克反射光強度，h為普朗克系數，c為真空中光的速度，k為波爾曼常數，vΔ為波數，T為絕對溫度。

根據光開始注入到反射光返回所需的時間可計算電纜的長度，光在光纖中的傳播速度是0.2nm/s，因此光注入到反射光返回的時間每10ns都可轉換為1m的光纖長度，稱為光纖時域反射儀（FODT）。使用FODT傳感器測量電纜的縱向溫度時通過單根光纖可同時測量多點溫度，由于光纖的非金屬特性，因此其與電纜即使構成一體也不會受電磁感應的干擾，穩定性極高。

2 光纖溫度傳感系統的溫度信號的解調方法

在對地下電纜表面溫度監測的實際應用中通常是利用斯托克斯反射光，FODT傳感器便是利用了斯托克斯反射光作為空載波，在光纖傳輸的過程中由于其受到了被測對象表面溫度的調制因此由空載波轉換為了調制波，這樣就攜帶了被測對象的具體信息。FODT傳感器溫度信號解調方法主要有單通道溫度信號解調方法和雙通道溫度信號解調方法兩種，本文提出了改進的雙通道溫度信號解調方法。該方法是根據斯托克斯反射光作為參考通道的，不斷消除了環境的干擾，而且不受接頭損耗和光源漂移的影響。完成反射光的測量后根據其比值來推斷相應的溫度信息及對應的位置，再繪制出沿整條光纖的溫度分布。具體過程如下：首先，得到整條光纖在T=T0時的斯托克斯入射光和反射光，即

本文所提出的改進的雙通道溫度信號解調方法有效地消除了光源不穩定所帶來的耦合損耗、光纖傳輸損耗等帶來的影響，具有一定的應用價值。

3 地下電纜表面溫度監測系統結構分析與設計

所設計地下電纜表面溫度監測系統原理圖如圖2所示。

圖2 系統工作原理圖

首先由分布式光纖溫度傳感器產生很窄的泵浦光源，脈沖能量為0E，脈沖寬度為TΔ，經過光纖放大器EDFA的功率提升后通過光纖分路器FBU耦合長度為10km傳感光纖，然后產生了反射光，再經過光纖分路器耦合進行分離和濾波，從而得到了攜帶溫度信號和參考信號的反射光，完成了溫度信號的采集工作。從光濾波器分離出來的反射光在進入雪崩二級管APD完成光電轉換，再經過前級的放大和信號探測作用，此時所攜帶的溫度信號已經轉換為了電平形式，而且電信號十分微弱，因此應通過放大器對此信號進行放大，并在AD9058數模轉換器中完成了數模轉換。轉換完成后的采樣信號由CPLD邏輯控制單元提供，將模擬信號轉換為了數字信號，并將此信號儲存在隨機存儲器SRAM中，通過單片機的RS232串口將所采集轉換后的數據傳遞至上位PC，上位PC配置了溫度顯示界面，實時地顯示地下電纜表面溫度。此外，該上位PC還具有對數字信號進行處理和分析的功能，最終可以得到對應點的溫度場信息。這樣，在脈沖光發出后即可通過反射信號實現溫度的多點采集，獲得光纖軸向的溫度場分布，實現了分布式溫度傳感功能。

4 結論

本文基于分布式光纖傳感器的原理，設計了地下電纜表面溫度監測系統，解決了普通測溫系統連續性差的問題，取得了良好的應用效果。該系統不僅可以應用于地下電纜表面溫度的監測，而且可以在發電廠、變電站的電纜夾層及大型電纜隧道中進行應用。

[1] 黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].成都: 電子科技大學出版社,1995.

[2] 張在宣,劉天夫,張步新,等.激光拉曼型分布光纖溫度傳感器系統[J].光學學報,1995,15(11):1585-158.

[3] 歐陽方平,周勝軍,康宏向.分布式光纖溫度傳感器的溫度測量與信號處理方法及實現[J].激光雜志,2002,23(6):59-61.

[4] 周勝軍,張志鵬.提高分布式光纖溫度傳感器測量準確性的方法[J].光學儀器,1997,19(6):3-8.

[5] 史曉峰,李錚,蔡志權.分布式光纖測溫系統及其測溫精度分析[J].測控技術,2002,21(1):9-12.