分布式光纖測溫技術在電力管道火災監測中的應用

任赟 吳忠平 賀艷華 章立偉 邵淦

【摘要】? ? 本文對于分布式光纖測溫技術的研究現狀進行了論述，并針對目前城市電力管道運行中的火災監測問題進行了分析，提出了一種利用同溝道電力光纜進行分布式溫度監測的應對措施，減少了傳感器部署實施過程中的投入成本，對于提高城市電網電纜的運行可靠性具有重要意義。

【關鍵詞】? ? 光纖測溫? ? 電力管道? ? 電力光纜? ? 火災監測

引言：

隨著經濟的發展，電力電纜在電網中所占的比例日益增長，電纜是電力系統在城區中傳輸電力的主要載體，其本身的可靠性直接影響了城鎮居民的用電感受。近年來，隨著各個城市的發展和建設，城市建成區不斷擴張，電纜公里數不斷突破，因此城市內和電力管道相關的工程也日益增加，給電纜的安全運行帶來了很多隱患，甚至發生火災事件 [1]。為了確保電纜處于安全正常運行狀態，必須對電纜的溫度等參數進行實時監測。目前，針對電纜的溫度檢測主要有以下幾個方法：

1.人工監測故障并進行判斷。通過電纜電氣性能監控平臺，在發生電纜故障時進行性能分析，同時，派人員至現場進行確認。這種方法是最原始的人工值守防范，對于電纜火災的反應速度最慢。

2.熱電偶測溫。在重點部位（一般指電纜接頭處）安裝溫度傳感器。這種方式測量的范圍有限，而且傳感器需要周期性更換電池或者從電纜進行取電[2]，雖然能夠實時監測傳感器處的溫度，但是其覆蓋范圍和可靠性較差。

3.光纖測溫。光纖測溫最早用于測量鋼水溫度[3]，之后隨著基于拉曼散射原理的分布式光纖測溫技術逐漸發展，同時具有利用反射光定位故障地點的功能，逐漸在石油管道、電力隧道內等場景進行應用。

一、分布式光纖測溫技術原理

（一）光時域反射原理

光時域反射（英文稱為Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）技術，是利用光線在傳輸中的背向散射原理，通過計算返回入射端光脈沖類型和強度與返回時間的關系，從而得出光纖芯的損耗以及其他指標狀態。[4]

（二） 分布式光纖測溫原理

分布式光纖測溫系統（DTS）主要由線型感溫火災探測器終端設備和集成檢測軟件系統組成，可以實現溫度的實時測量并能夠精確定位。其原理主要依據后向散射原理，可分為三種類別，其中應用最廣泛的是基于拉曼（Raman）散射的測溫技術。通過激光在光纖傳輸中微弱的背向散射信號，獲得兩種溫度敏感和不敏感的反射信號：反斯托克斯信號（Anti-Stokes）和斯托克斯信號（Stokes），利用計算公式計算得出溫度。其工作原理如圖1所示。

Stokes：? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Anti-stokes：? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中。根據推導，得到溫度：

（3）

結合脈沖光源和光纖定位技術（OTDR），就可以得到沿著光纖所有分布式點的溫度。

二、電力管道測溫的不足和改進措施

（一）電力管道引入DTS技術

城市電網中電纜基本都敷設在地下的管道之中，主要可以分為電纜隧道和電力管道2種。

目前大部分的光纖測溫集中運用在電纜隧道之中，這是因為隧道內的空間相對較大，同時電纜敷設后的變動相對較少，因此敷設地點的安全性和穩定性相對較好。

而對于大部分電纜，主要敷設在電力管道中，這些管道一般空間有限，且在城市發展過程中會產生較多的變動，火災、外破等事故經常發生，如圖2所示就是火災事故后的電力管道。

利用DTS技術，實現電力管道的溫度感知，能夠有效感知電力管道內部火災的發生，縮短搶修恢復時間，提高管道內安全性和可靠性。

（二）光纜替代探測光纖

DTS系統一般采用專用的探測光纖作為感知傳感器，因此對于一些已經在城市電網地下電力管道中敷設完成的電纜，需要重新進行光纖覆蓋，工作量不亞于重新敷設一邊地下電纜。

由于電纜火災往往會引起同溝道內的電力光纜的損傷，因此，采用已存在的電力光纜替代探測光纖會更加合理可以使用電力光纜的冗余纖芯替代光纖測溫中需要用到的傳感光纖，既能減少重復附設的工作，又能提高光纖的可靠性，如圖3所示。

（三）中心機房部署設備

電力系統中光纜一般為多方向星型部署，因此光纜資源較為豐富，理論上，只要通過改變機房的接入光纜，就可以實現多方向的火災監測，從靜態監測可轉變為動態輪詢監測，將大大提高了效率。

三、應用實例

（一）典型系統設計

一個中心變電站具有n個方向的電力管道方向。最大電力管道長度m公里。根據設計要求采用1臺策略距離足夠覆蓋電力管道長度m公里的設備，n通道光纖測溫主機，利用同纜敷設的電力通信光纜中的空閑光纖芯，每個通道監測1回電力電纜所在管道方向，如圖4和圖5所示。

主機放置在可放在中心變電站里，n條光纜沿著電纜隧道鋪設至尾部，數據可通過通信數據網上傳到監控中心。

（二）站內連接

利用現有通信用ODF架設備，現有通信用ODF架設備接頭為FC/PC接頭，分布式光纖測溫系統可使用10、11、12三個接口，因FC/PC接頭端面反射遠大于散射光強度，導致分布式光纖測溫系統無法正常工作，需把現有FC＼PC接頭更換成E2000＼APC接頭，更換后不會對該odf架上其它接頭造成影響。

具體步驟為：

1.慢慢抽出ODF架盤線盒，內部接FC光纖適配器的是FC/PC尾纖接頭。

2.取下待更換FC/PC尾纖接頭和FC光纖適配器。

3.用剪刀剪掉待更換FC/PC尾纖接頭。

4.用剪掉FC/PC接頭的剩余尾纖和準備好的E2000/APC接頭尾纖用光纖熔接機進行熔接。

5.把熔接好的光纖接續熱縮管和多余尾纖用膠帶牢固固定在ODF架盤線盒內，把盤線盒推進ODF架內，恢復原貌，最后把ODF架外更換好的E2000/APC接頭接入到分布式光纖測溫系統主機的光纖接口，調試監測。

（三）系統通訊

光纖測溫主機通過通信數據網將數據上傳至系統工作站。

（四）軟件系統

圖13是光纖測溫系統監測狀態下的軟件界面，每個測量通道會具有單獨的監測界面，標注為通道1～通道n，顯示從設備引出的整條光纖的溫度曲線圖，縱軸為溫度，單位為攝氏度（℃）;橫軸表示距離，單位為米（m）。溫度曲線圖下方是表格形式的溫度記錄。當某處溫度異常的時候，通過曲線圖可以直觀地表示出該處溫度升高或降低，同時可以定位溫度異常點的距離。每個通道可以分別設置溫度報警閾值，過高或過低可以分別設置，并可以發出自動警報信號。在軟件界面上也會突出顯示報警通道及相關信息。

系統可以設置定時保存數據;并可以導出數據以便后續進行數據分析?？梢钥焖俨樵儠r間點（段）或者距離點（段）的溫度數據。

軟件系統集成了電子地圖功能模塊，可以進行后續升級，實現地理信息數據展現（GIS）。可以根據實際電纜走向繪制平面圖：包括電纜的線路走向以及每個測溫點的溫度信息。當系統檢測到電纜局部發生溫度異常時，可以立即通過軟件實現告警，并指示告警的區域。

四、結束語

本文通過應用分布式光纖測溫技術，實現了電力管道中的火災監測，并在實施過程中減少了投入成本，同時可實現多方向的火災監測。

在之后的研究中，將在以下幾個方面進行改進：1.將光纖連接改造為活動式連接，同時能夠在測溫的基礎上進一步探測。2.通過算法實現靈敏度提升，不局限于火災監測，甚至能夠預測趨勢。

作者單位：任赟? ? 吳忠平? ? 賀艷華? ? 章立偉? ? 邵淦

國網浙江省電力有限公司寧波供電公司

2.3 中心機房部署設備

電力系統中光纜一般為多方向星型部署，因此光纜資源較為豐富，理論上，只要通過改變機房的接入光纜，就可以實現多方向的火災監測，從靜態監測可轉變為動態輪詢監測，將大大提高了效率。

3 應用實例

3.1 典型系統設計

一個中心變電站具有n個方向的電力管道方向。最大電力管道長度m公里。根據設計要求采用1臺策略距離足夠覆蓋電力管道長度m公里的設備，n通道光纖測溫主機，利用同纜敷設的電力通信光纜中的空閑光纖芯，每個通道監測1回電力電纜所在管道方向，如圖4和圖5所示。

主機放置在可放在中心變電站里，n條光纜沿著電纜隧道鋪設至尾部，數據可通過通信數據網上傳到監控中心。

3.2 站內連接

利用現有通信用ODF架設備，現有通信用ODF架設備接頭為FC/PC接頭，分布式光纖測溫系統可使用10、11、12三個接口，因FC/PC接頭端面反射遠大于散射光強度，導致分布式光纖測溫系統無法正常工作，需把現有FC＼PC接頭更換成E2000＼APC接頭，更換后不會對該odf架上其它接頭造成影響。具體步驟為：

1 慢慢抽出ODF架盤線盒，內部接FC光纖適配器的是FC/PC尾纖接頭。

2 取下待更換FC/PC尾纖接頭和FC光纖適配器。

3 用剪刀剪掉待更換FC/PC尾纖接頭。

4 用剪掉FC/PC接頭的剩余尾纖和準備好的E2000/APC接頭尾纖用光纖熔接機進行熔接。

5 把熔接好的光纖接續熱縮管和多余尾纖用膠帶牢固固定在ODF架盤線盒內，把盤線盒推進ODF架內，恢復原貌，最后把ODF架外更換好的E2000/APC接頭接入到分布式光纖測溫系統主機的光纖接口，調試監測。

3.3 系統通訊

光纖測溫主機通過通信數據網將數據上傳至系統工作站。

3.4 軟件系統

圖13是光纖測溫系統監測狀態下的軟件界面，每個測量通道會具有單獨的監測界面，標注為通道1～通道n，顯示從設備引出的整條光纖的溫度曲線圖，縱軸為溫度，單位為攝氏度（℃）;橫軸表示距離，單位為米（m）。溫度曲線圖下方是表格形式的溫度記錄。當某處溫度異常的時候，通過曲線圖可以直觀地表示出該處溫度升高或降低，同時可以定位溫度異常點的距離。每個通道可以分別設置溫度報警閾值，過高或過低可以分別設置，并可以發出自動警報信號。在軟件界面上也會突出顯示報警通道及相關信息。

系統可以設置定時保存數據;并可以導出數據以便后續進行數據分析?？梢钥焖俨樵儠r間點（段）或者距離點（段）的溫度數據。

軟件系統集成了電子地圖功能模塊，可以進行后續升級，實現地理信息數據展現（GIS）。可以根據實際電纜走向繪制平面圖：包括電纜的線路走向以及每個測溫點的溫度信息。當系統檢測到電纜局部發生溫度異常時，可以立即通過軟件實現告警，并指示告警的區域。

4 結論

本文通過應用分布式光纖測溫技術，實現了電力管道中的火災監測，并在實施過程中減少了投入成本，同時可實現多方向的火災監測。

在之后的研究中，將在以下幾個方面進行改進：

1、將光纖連接改造為活動式連接，同時能夠在測溫的基礎上進一步探測。

2、通過算法實現靈敏度提升，不局限于火災監測，甚至能夠預測趨勢。

參考文獻

[1]張昊陽. 電力電纜分布式光纖在線測溫系統的研究[D]. 秦皇島： 燕山大學. 2019

[2]張露. 電力電纜測溫系統取能電源設計研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學. 2012

[3]山崎三生， 井上茂， 菊地一郎等. 使用光纖的溫度測定裝置和方法[P]. CN1111751A. 1995.

[4] Roger E. Robichaud. Optical time domain reflectometer[P]， US4289398A. 1978.

[5]肖駿. 分布式拉曼光纖測溫系統研究進展[J]. 科技創新與應用， 2018， 0（6）：157-159.

[6]吳科， 熊剛， 鄧旭東等. 城市高壓電纜分布式光纖測溫技術應用現狀[J]. 電工技術， 2020. 0（1）：140-143

作者姓名：任赟

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