分布式光纖溫度傳感器的高壓電纜溫度在線監測系統研究

李英杰,翟瑞占,王勝滔

（山東省科學院激光研究所,山東 濟寧 272000）

0 引言

實踐證明，多數高壓電纜故障都是由小問題逐漸演變成為大事故，在此過程中，經常會出現高壓電纜溫度異常等情況，主要表現為缺陷處溫度過高，直接加速了電纜線的絕緣老化，嚴重時甚至會出現熱擊穿。因此，對高壓電纜線的溫度進行監測就能夠快速定位出現問題的部位，及時修補，以免出現重大事故，提升電纜線運動的安全性。

1 監控系統的工作流程

電纜安全監控系統（DTS）通常是按照光纖時域的反射原理（OTDR）以及光纖背向拉曼散射的溫度效應研發的[1]。在時域中，運用電纜安全監控系統就能夠按照光在光纖中的傳速度以及相應的回波時間等對溫度進行定位。詳情見圖1：

圖1 分布式光纖測溫系統原理圖

1.1 光纖背向拉曼散射的溫度效應分析

每當激光脈沖開始在光纖中傳播時，就會產生拉曼散射以及瑞利散射，在頻域中，拉曼散射光子可分為反斯托克斯拉曼散射光子以及斯托克斯拉曼反射光子，而自發的拉曼散射光子的強度主要依賴于光纖的溫度與狀態，在0°-120°C溫度范圍內，平均溫度靈敏大約為1.65%/K。

為了有效的避免激光管輸出的不穩定以及接頭的損耗等，有效的提升測量溫度的準確定，在設計中應當采用比較雙通道雙波長的辦法，即分別對反斯托克斯拉曼散射光子以及斯托克斯拉曼反射光子進行采集，運用二者強度的比值來調節溫度的信號[2]。一般情況下，反斯托克斯光對于溫度的靈敏度更強，因此可將反斯托克斯光當做信號通道，將斯托克斯光當做比較通道，公式如下：

對于固定溫度來說，則可由以下公式表示:

由上述計算公式得出：

在上述公式中，λs以及λa分別代表斯托克斯光與但斯托克斯光波長，Is代表斯托克斯光的強度，Ia代表反斯托克斯光的強度，h代表普朗克常數，k則代表玻爾茲曼常數，△γ代表偏移波數。R(T)代表兩種光的強度對比。由此可見，在確定測溫系統后，通過R(T)就能確定光纖測量點的溫度。

1.2 熱傳導分析

一般情況下，普通光纖的耐溫強度通常不會超過125°C，可運用熱傳導原理對于電纜線的金屬外套的溫度進行監測，如此便可擺脫外部環境的影響。詳情見圖2：

圖2 熱傳導原理圖

其中TC代表探測光纜中心的傳感光纖溫度，TA代表高壓電纜電載體發熱之后的溫度，而TB則代表高壓電纜以及探測光纜接觸面的溫度。

1.3 光纖時域反射的原理分析

當激光脈沖在光線中實施傳輸時，由于光線中出現的折射率具有不均性，會產生瑞麗閃射，入射的光經過背向閃射，返回到光線入射端需要的時間為t，而在光纖中激光脈沖的距離為2L,2L=v.t，其中v代表光纖中光的傳播速率，v=c/n；c代表真空中的光速，而n則代表光纖的折射率。在t時刻監測到的是離線光纖入射端距離為L處的局部背向瑞麗閃射光，運用光纖時域的反射原理就能夠有效的判定光纖的故障點以及損耗情況等，因此通常也被成為“光線雷達”。

2 溫度在線監測系統的設計

高壓電纜溫度在線監測系統主要由監控主機以及測溫工程機等設備組成，見圖3：

圖3 高壓電纜溫度在線監測系統

2.1 后臺監控機

后臺監控機通常是從光纖測溫工程機來獲得電纜的實時溫度，隨后由電量采集設備取得正常電壓，對電纜線芯的溫度以及動態載流量進行計算，以此為依據分析高壓電纜線溫度是不是過高。后臺監控機的主要作用是：第一，能夠對電纜線進行遠程監控與分析；第二，能夠及時采集電量，并儲蓄數據；第三，能夠及時進行故障判斷，出現故障時及時報警。

2.2 光纖測溫機

光纖測量溫度的工程機通常是由數據采集卡以及光學測量等設備構成，能夠及時的監測光信號，并經過調解計算出電纜的溫度，實現實時監測。

2.3 電量采集單元

電量采集單元能夠對電流信號以及電纜的電壓進行采集，隨后通過變送器將TV以及TA二次側信號經過轉換后傳遞給數據采集卡，數據采集卡再傳遞給計算機[3]。在系統運行的過程中，電纜正常電流的有效值可用于計算線芯的溫度，而短路電流值則可用于診斷故障。因此電量采集電源需要收集保護以及測量二次測電流的值，采集測量TA以及保護TA二次側電流信號需要通過測量電纜傳遞至監控主機，電壓信號則可通過電壓互感器得到，經過轉換后傳輸至監控主機即可。

3 結束語

綜上所述，對高壓電纜線的溫度進行監測就能夠快速定位出現問題的部位，及時修補，以免出現重大事故，提升電纜線運動的安全性。分布式光纖溫度傳感器的高壓電纜溫度在線監測系統能夠隨時對高壓電纜線進行監測，并能夠及時收集電纜線的數據進行分析，判斷電纜線是否出現了溫度過高或者耗損過高等情況。假如出現溫度過高的情況時，能夠自動發出警報，提醒工作人員進行維修，以此提高工作效率，保證高壓電纜線的穩定運行。

[1]彭俊臻，張明，宋萌，胡南南，曹昆南，王達達，王龍，王斐宏.飽和鐵芯型超導限流器對電力系統暫態穩定的影響[J].低溫物理學報 , 2013(04)：307-312.

[2]廖瑞金，周天春，劉玲,周湶.交聯聚乙烯電力電纜的電樹枝化試驗及其局部放電特征[J]. 中國電機工程學報,2011(28):136-143.

[3]楊耿杰,蘇愛國,郭謀發,丁國興,陳亞民.應用GPRS及光纖測溫技術的電力電纜監測系統[J].電力系統及其自動化學報,2009(04)：100-105.