分布式光纖溫度傳感器在電纜隧道中的應用

李陸軍

摘 要：文章探索了分布式光纖溫度傳感器（DTS）在電纜隧道中的應用，實驗結(jié)果顯示分布式光纖溫度傳感器能夠在電纜隧道溫度監(jiān)測方面進行很好的應用。系統(tǒng)溫度范圍：-40℃～85℃，測溫光纖長：1.8km，測量溫度精度：±1℃，空間分辨率：1.5m，為電纜隧道溫度監(jiān)測提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：分布式光纖溫度傳感器；電纜；隧道；溫度監(jiān)測；拉曼散射

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0119-03

Abstract： This paper explores the application of distributed fiber optic temperature sensor （DTS） in cable tunnel. The experimental results show that the distributed fiber optic temperature sensor can be used in cable tunnel temperature monitoring. The temperature range of the system is -40℃～85℃， the fiber length of measuring temperature is 1：1.8 km， the precision of measuring temperature is ±1℃， and the spatial resolution is 1：1.5 m， which provides a scientific basis for the temperature monitoring of cable tunnel.

Keywords： distributed optical fiber temperature sensor； cable； tunnel； temperature monitoring； Raman scattering

1 概述

電網(wǎng)作為城市生命線工程系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，由于涉及千家萬戶用電需求，是維持國民生產(chǎn)、生活的基礎(chǔ)。安全運行為第一要務。因為系統(tǒng)一旦失效，將造成廣泛的社會困難和巨大的經(jīng)濟損失。電網(wǎng)中電纜、高壓開關(guān)柜、電纜接頭等位置處的環(huán)境溫度是影響電力系統(tǒng)運行的重要參數(shù)，環(huán)境溫度參數(shù)過高或過低都不利于電力系統(tǒng)的安全運行。為確定系統(tǒng)最佳的和最安全的載流能力，須對電力設(shè)備環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測。

傳統(tǒng)的測溫方法采用的是電式溫度傳感器，電式溫度傳感器只能單點監(jiān)測待監(jiān)測區(qū)域的溫度，對大范圍大區(qū)域的電纜溫度監(jiān)測，監(jiān)測的位置呈點狀分布，無法完整的監(jiān)測電纜的每一個位置。分布式光纖溫度傳感器[1]可將傳感光纜位置處的每一點溫度都探測出來，傳感光纜沿電纜敷設(shè)，就可以對電纜進行全方位的溫度監(jiān)測，分布式光纖溫度傳感器具有連續(xù)分布式測量、抗電磁干擾、本征防雷、測量距離遠、測量精度高、壽命長，成本低，系統(tǒng)簡單等特點，可以24小時實時在線監(jiān)測電纜溫度，為電纜安全監(jiān)測提供溫度數(shù)據(jù)。

2 分布式光纖溫度傳感器的基本原理[2，3，4]

激光脈沖入射到光纖中后，在傳播的過程中與光纖相互作用，會發(fā)生非線性散射，包括布里淵散射和拉曼散射。按照量子力學的觀點，可以將拉曼散射看成入射光和介質(zhì)分子相互作用時，光子吸收或發(fā)射一個聲子。

當激光脈沖在光纖中傳播時，回到光纖的始端，每個激光脈沖產(chǎn)生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量為：

反斯托克斯[3]拉曼背向散射光的光通量可以表示為：

其中：？準e為入射到光纖的激光脈沖的光通量，？準S、？準a為斯托克斯光、反斯托克斯光光通量，KS和Ka為和光纖的斯托克斯散射和反斯托克斯散射截面有關(guān)的系數(shù)，S為光纖背向散射因子，vS、va為斯托克斯、反斯托克斯光的頻率，L為激光在光纖中傳播的距離，？琢0、？琢S、？琢a為入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纖中的平均傳輸損耗，RS（T）、Ra（T）為與光纖分子低能級和高能級上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，是斯托克斯拉曼背向散射光與反斯托克斯拉曼背向散射光的溫度調(diào)制函數(shù)。

由式（1）和式（2）相除得到：

在標定光纖溫度為T0時，待測光纖的溫度為T時，可推知：

在實際測量中，只要測出？準a（T）、？準S（T）、？準a（T0）、？準S（T0）經(jīng)光電探測器探測出來的電平值，就能得出空間溫度場中的溫度T。

3 分布式光纖溫度傳感器電力隧道應用

3.1 系統(tǒng)組成

光纖測溫系統(tǒng)，包含DTS測溫主機、分布式光纖和后臺軟件；其中DTS測溫主機使用6公里6光通道，每個通道分別覆蓋各回路電纜及隧道內(nèi)的環(huán)境溫度；DTS監(jiān)控主機通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出給監(jiān)控后臺，監(jiān)控后臺完成核心的分析和監(jiān)測功能。

3.2 總體方案

在xx工程電纜隧道，由主隧道和分支隧道組成，全長共計1792m，110kV電纜6回路，220kV電纜4回路安裝分布式測溫光纖，每個回路中鋪設(shè)測溫光纖；對電纜接頭部分重點檢查，電纜接頭處的傳感光纜布設(shè)采用雙環(huán)形纏繞方式，以便確保傳感光纜和電纜接頭緊密貼合，傳感光纜能夠快速感知電纜接頭處的溫度，雙環(huán)形纏繞方式所需的傳感光纜應大于6m。傳感光纜的捆扎方式為固定式，扎帶的間距為1m，傳感光纜敷設(shè)在電纜表面，傳感光纜每隔50m設(shè)置一個標識牌，標識傳感光纜的位置及相應的防區(qū)，方便工作人員能夠準確的找到異常溫度點的傳感光纜位置。在有效的長度內(nèi)多采集溫度監(jiān)測點，達到雙重保證的效果。

本應用中測溫主機安裝在隧道旁工作室內(nèi)機柜中，各主機通過通訊光纖聯(lián)網(wǎng)接到系統(tǒng)監(jiān)測中心（PC機）。

電纜溝探測光纖每隔300m掛設(shè)標牌，標識測溫光纖起止點變電站站名、測溫光纖距起點長度，每隔500m預留5m余量的光纖環(huán)，便于后期維護處理。對于單芯或者多芯電纜，傳感光纜通過扎帶固定在電纜的頂面，安裝效果如圖2。endprint

固定傳感光纜使用的扎帶需要根據(jù)具體的工作環(huán)境來選擇，扎帶的間距一般為1m，也可根據(jù)具體環(huán)境適當調(diào)整。傳感光纜的捆扎應該保證傳感光纜和待測電纜緊密貼合，這樣傳感光纜能夠在第一時間感知到電纜的溫度變化，從而在及時預防和排查問題電纜，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

3.3 測溫光纜

本系統(tǒng)采用的是消防用鎧裝測溫光纜，消防用鎧裝測溫光纜是把傳感光纖放在一根不銹鋼螺紋管內(nèi)，螺紋管外面采用凱夫拉緊密纏繞加強和不銹鋼絲緊密編織加強，外層采用阻燃LSZH護套防護。消防用鎧裝測溫光纜纖芯為滿足國際標準的多模光纖芯，具備很好的拉曼散射特性。

3.4 測溫實驗

對于分布式光纖溫度傳感器[5][6]，我們可以按照實際情況設(shè)定報警區(qū)間長度，還可以給不同的報警區(qū)間設(shè)置不同的報警溫度，這樣可以在一些地方進行著重監(jiān)測。當待測溫度場區(qū)域溫度發(fā)生變化時，可以按照不同報警區(qū)間給出空間溫度曲線，或者給出火災報警信號。光纜發(fā)生故障，比如斷裂、受壓扭曲時，依然可以通過系統(tǒng)給出故障信號，從而進行修復處理。本工程中，主隧道和分支隧道總長1792m，分區(qū)數(shù)10個。不同的分區(qū)可以設(shè)置不同的報警條件。

分布式光纖溫度傳感器主要就是監(jiān)測電纜通道的環(huán)境溫度，設(shè)置預警值為40°，如果環(huán)境溫度達到40°，實驗顯示每次采集后系統(tǒng)都會發(fā)出預警。此時，打開逃生通道的排風扇。如果溫度升高，系統(tǒng)顯示的溫度也會升高（相反溫度降低，系統(tǒng)顯示的溫度也會降低）。溫度快速升溫或者實測達到70°之后火災報警。圖4為分布式光纖溫度傳感器在電纜隧道實測的溫度曲線圖，可以看出，系統(tǒng)的報警功能是符合實際要求的。

4 結(jié)束語

分布式光纖溫度傳感器為電纜隧道提供了一種全新的監(jiān)測手段，特別對于高壓電纜溫度實時在線測量具有重要意義。實驗結(jié)果顯示分布式光纖溫度傳感器具有相當高的可靠性和溫度精確性，并且測量時間特別短。實驗取得了較為良好的結(jié)果，系統(tǒng)溫度范圍：-40℃～85℃，溫度監(jiān)測距離1.8km，測溫精度±1℃，定位精度：1.5m。分布式光纖溫度傳感器長距離大范圍的監(jiān)測特點特別適用于電纜的溫度監(jiān)測，系統(tǒng)本征安全，抗電磁干擾，使用壽命長。目前分布式光纖溫度傳感器已經(jīng)在國內(nèi)逐步推廣使用，獲得了廣泛好評，未來分布式光纖溫度傳感器，在電纜隧道的監(jiān)測中將會產(chǎn)生越來越重要的作用。

參考文獻：

[1]張磊，馮雪，張巍，等.1.66微米和1.55微米光源對長距離光纖拉曼溫度傳感器測量時間影響的理論對比[J].光子學報，2009，38（11）：2805-2808.

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[3]張悅，張記龍，李曉，等.光纖中拉曼散射回波超高靈敏度探測技術(shù)研究[J].光譜學與光譜分析，2009，28（5）：1300-1303.

[4]張在宣，張步新，陳陽，等.光纖背向激光自發(fā)拉曼散射的溫度效應[J].光子學報，1996，25（3）：273-278.

[5]張在宣.光纖分子背向散射的溫度效應及其在分布光纖溫度傳感網(wǎng)絡(luò)上應用研究的進展[J].原子分子物理學報，2000，17（3）：559-565.

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[7]張勝姣.光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)在隧道火災監(jiān)控中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2012（14）：24.endprint