分布式光纖載流量／溫度安全監測系統的研究＊

楊 斌，田 杰，江健武，沈春光，段紹輝

（1.上海華魏光纖傳感技術有限公司，上海 201103；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

引 言

隨著經濟社會的發展，對電的需求量越來越大，水電、火電、可再生發電系統、城市變電的大規模建立，電纜輸電任務隨之加大，如何來保證電纜的安全正常有效的運營，保障電纜資產價值，成為一種迫切需要解決的問題。電纜運行不安全因素主要為電纜在運行時電纜發熱，導致電纜溫度過高致使電纜發生火災。光纖傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發展而另辟新徑的一種嶄新的傳感技術。光纖傳感具有抗電磁干擾、靈敏度高、安全可靠、耐腐蝕、可進行分布式測量、便于組網等諸多優點。目前國內外研究機構用光纖傳感監測技術對電力電纜在線測溫及載流量［1］的安全監測的研發和應用大多還處于初期研究階段，應用也基本停留在對個別設備和某個部件的監測上。比如Micron Optics公司推出的光纖點式測溫系統實現對風力發電機組的溫度檢測。

基于拉曼分布式光纖溫度傳感技術的分布式光纖載流量／溫度安全監測系統，不僅具有普通光纖傳感器的優點，而且還具有對光纖沿線各點的載流量／溫度的分布式傳感能力。利用這種特點可以連續實時測量光纖沿線幾十公里內各點的溫度。定位精度≤1m，測溫精度可達1 ℃，非常適用于高壓電力電纜的載流量／溫度傳感監測的應用場合。

1 系統工作原理

分布式光纖載流量／溫度安全監測系統由拉曼分布式光纖測溫傳感器、感溫光纜、載流量軟件以及電流記錄儀組成。

拉曼分布式光纖測溫傳感器［2－4］能對電力電纜全線溫度進行周期性實時在線監測，對極易出現故障的電纜接頭進行重點監測。該項技術利用光纖作為傳感器，將光纖直接敷設在被測物體表面，在一定條件下被測物體各個位置的溫度信號會以光波的形式回傳到光纖端部，最終被提取并顯示出來。這種技術只需一根或幾根光纖就可以監測長達數十公里的線型設備或點式設備。

光纖的拉曼散射與溫度有著密切的關系。依據光時域反射測定法［5］，將短促的激光脈沖按精確的時間間隔注入光纖之中。在同一根光纖中，散射光的強度隨時間呈現出指數衰減。如果知道光在光纖中的傳播速度，就能計算出距離。從該指數衰減的偏差就能得出溫度。光纖既是該信號的生成器，又是該信號的渠道。反射光被分流到傳感器中來加以解碼。在光纖測溫系統連接的監控屏上能同時顯示距離和溫度數據。利用此技術把光纖與被測高壓電纜采用接觸方式安裝，測出高壓電纜表面溫度，根據表面溫度，電纜結構，輻射環境等因素，精確計算出電纜的線芯溫度，通過線芯溫度計算出通過線芯的載流量，并給出電纜對應分區的最高溫度，電纜的運行溫度和電纜的負荷水平，對溫度異常點進行報警。

拉曼光強差和溫度為：

式（1）中，Pa表示為拉曼散射反斯托克斯光Anti－stokes功率，Ps為 拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h為普朗克常數，c為光速，Δν為拉曼頻移量，T 為溫度。

溫度探測距離為

其中，t表示兩倍定點距離光傳播時間，V 為光纖中光速。

2 系統的結構與功能設計

分布式光纖載流量／溫度安全監測系統：系統由中控室、分布式光纖溫度傳感器、數據采集器（PLC）、光纖（纜）等設備組成。系統結構圖如圖1所示。

分布式光纖載流量／溫度安全監測系統可以通過電纜溫度的監測計算得到電纜載流量變化情況。同時在電纜隧道中實現高溫危險報警。主要功能包括：

（1）分布式光纖溫度傳感器準確實時測量整條電纜的溫度分布。它的探測范圍：30km，溫度精度：1 ℃，定位精度：1m；

圖1 系統結構圖Fig.1 The system structure diagram

（2）通過積累和分析電纜運行的溫度數據，尋找電纜瓶頸處運行溫度和載流量變化的關系，實現有效利用電纜設計允許載流量和達到經濟運行；

（3）通過溫度監測的數據，研究電纜線路附近的建筑或設施對電纜運行的影響程度，即敷設現場的改變對電纜運行的影響，為以后電纜的敷設提出建議和參考；

（4）通過監測記錄電纜的運行溫度，可以積累數據，獲得電纜在不同季節和每天不同時段溫度變化情況，為未來電纜檢測提供檢測依據；

（5）通過監測電纜的運行溫度，為研究電纜溫度與電纜老化的關系提供依據；

（6）通過對電纜溫度設定報警溫度來監測電纜的運行溫度，找到電纜在運行過程中存在的隱患問題；

（7）中控室光纖安全運行監測信息管理平臺實現在對系統中所有下屬分系統的數據進行綜合管理，并將數據傳輸給電網控制中心的中央綜合監測信息管理平臺；

（8）實現對系統中任意一傳感器的各種工作參數設置；

（9）通過列表和地圖的方式顯示系統中各光纖傳感器的監測信息，可在地圖或列表中對傳感器進行控制，并可在地圖和列表狀態間自由切換；

（10）發生溫度異常時，系統能提供報警并準確確定溫度異常位置，指導檢修工作；

（11）具有CRT 顯示器，直觀顯示通道橋架分布、通道走向、通道關鍵位置及名稱，實時連續的溫度監測；

（12）具有局域網絡接口，可與站內的管理網絡相連，實現信息的共享，連結站內局域網的計算機可同樣具有溫度顯示和報警功能，安裝于單控室的主機和連網的計算機能夠自動顯示相應的報警提示。

3 載流量設計

載流量監控軟件監控獲得電纜施加負載電流和電纜表面溫度后，通過計算可以取得電纜導體溫度，判斷電纜現場運行時的導體工作溫度是否超過導體最高允許工作溫度，從而判斷電纜是否正常運行還是過載運行，以便于即時調整負荷電流，對電纜安全運行起到監控作用。

電流記錄儀和分布式光纖溫度傳感器將采集到的負荷電流和電纜表面（或內部某層）溫度信號傳輸到計算機，利用已知的電纜的結構參數，建立數學模型，計算出相應位置的電纜導體溫度，準確判斷電纜的載流能力。電纜溫度監測與計算模型結構如圖2所示，圖中R 表示熱阻，C 表示熱容，W 表示損耗，θ表示溫度。

圖2 電纜溫度監測與計算模型結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the power cable′s temperature monitoring and computational modeling

根據IEC60287標準［6］可以知道，載流量計算為：

式（3）中，ΣRi表示總熱阻，ΣCi表示總熱容，ΣWi表示總損耗，Δθ表示溫度變化量。分布式光纖載流量／溫度安全監測系統的采集文件被轉換并輸出到一個表格文件中。表格的每一欄都代表了電纜線路上一個地理位置點的不同溫度值，獲取不同數據點的空間分辨率是1m，每一行都顯示了一個空間溫度分布曲線。以這個表格為基礎，繪制兩種類型的圖表用做進一步的分析。一種是顯示光纜線路上溫度與空間分布曲線圖，另一種顯示某一特定點的溫度隨時間變化曲線圖。

對于溫度空間分布曲線圖，可計算得出以下數值：溫度最大值TmaxФ（x）；溫度算術平均值TaФ（x）；溫度最小值TminФ（x）；溫度變化值ΔФ（x）；標準偏差值δ（x）。

溫度變化值ΔФ（x）用于檢測溫度數據存取期間，每一點上的溫度變化，其值為：

標準偏差值δ（x）用來確定利用分布式光纖載流量／溫度安全監測系統計算得出值的可靠性。

載流量監控軟件由測溫光纖在電纜表面或任意層面采集到的溫度，計算出相應位置的電纜導體溫度，以曲線的方式直觀地實時反映出電纜外護套和電纜導體各點的溫度分布情況，或者在測得電纜施加電流和電纜表面溫度后，輸入計算機指定控件，按給定按鈕就顯示出電纜導體在施加該電流值下的電纜導體溫度。因此，分布式光纖溫度傳感器獲得電力電纜的溫度分布后，就可以確定電纜負荷電流是否達到了載流量。

電力電纜載流量監測的目的如下：

（1）通過光纜的實時監測得到電纜芯（導體）的實時運行溫度；

（2）監測電纜芯長期運行的溫度狀態（XLPE電纜的運行溫度為90 ℃）；

（3）短時間內支持用戶自定義運行電纜載流量的計算；

（4）檢查運行電纜的符合率。

4 試驗結果

實驗中采用窄線寬光纖激光器作光源，中心波長1 550nm，峰值功率10 W，脈寬5ns，對應系統定位精度為0.5m；光纖放大器最大增益為40dB，噪聲系數為5dB。

光纜緊貼到動力電纜的表面，光纜沿線選取三個位置點（17 710m、18 435m、18 870m）分別敷設在三根動力電纜的表面進行電纜溫度／載流量測試，每點測試各采集10組信號，電纜溫度監測安裝圖如圖3所示。

圖3 電纜溫度監測安裝圖Fig.3 Installation drawing of power cable′s temperature monitoring system

圖4 電力電纜線路長度方向的空間－溫度曲線圖Fig.4 The diagram of temperature vs length along power cable line

電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監測系統監測的溫度測試曲線見圖4。當光纖溫度穩定時，用水銀溫度計計量電纜測試點的暫態溫度，然后與分布式實時測取的溫度進行比較，得到該模塊的溫度計量精度；同理，在測試電力電纜中，選取不同光纖位置，現場三根試驗電力電纜傳輸不同電流強度時，電流記錄儀和分布式光纖溫度傳感器將采集到負荷電流和電纜溫度信號，試驗數據見表1。

試驗結果表明，計算導體溫度與實測導體溫度最大偏差不超過1℃，采用有限元算法得到的電纜溫度和電纜載流量的對應關系與實際情況基本吻合。

表1 溫度測量試驗結果Tab.1 Temperature detection results

5 結 論

研究基于拉曼分布式光纖溫度傳感器在中高壓地埋鎧裝電力電纜的溫度、載流量等領域監測的應用設計，綜合分析處理各傳感器信息，并且在出現異常情況時，通過控制相應的聯動設備采取一定的措施來保障電網正常運行。試驗結果表明，該系統可對20km 電力電纜的溫度、載流量實時監控預警，顯示險情位置，定位精度優于1m。

［1］ 劉 英，曹曉瓏.電力電纜在線測溫及載流量監測的研究進展與應用［J］.電網與水力發電進展，2007（5）：11－14.

［2］ 王莉田，史錦珊，王玉田，等.背向散射多點分布式光纖測溫系統的研究［J］.儀器儀表學報，1996，17（6）：639－641.

［3］ 宋牟平，湯偉中，周 文.喇曼型分布式光纖溫度傳感器溫度分辨率的理論分析［J］.儀器儀表學報，1998，19（5）：485－488.

［4］ 李志全，白志華，王會波，等.分布式光纖傳感器多點溫度測量的研究［J］.光學儀器，2007，29（6）：8－11.

［5］ 李榮偉，李永倩，楊 志，等.基于相干光時域反射計的光纖溫度傳感測量［J］.光子學報，2010，39（11）：1988－1992.

［6］ International Electrotechnical Commission.IEC 60287－1：2006Calculation of the current rating－part l：current rating equations（100%load factor）and calculation of losses［S］.Geneva：IEC，2006.