基于分布式光纤测温的电缆温度在线监测系统设计与应用

2013-07-17郝学磊王鲲鹏

通信电源技术 2013年2期

郝学磊，陈鹏，王鲲鹏，吕琨

（1．聊城供电公司，山东聊城252003；2．威海北洋电气集团股份有限公司，山东威海264209）

0 引言

电缆整体和电缆接头的温度，一直以来是监测电缆运行状态的重要参数。电缆中间接头是整条电缆结构最为薄弱，事故率最高的环节。隧道内电缆密集、交叉叠放，一旦失火会发生立体式的关联燃烧。虽然隧道内环境封闭，但由于电缆竖井的存在，使得隧道内形成抽风，火势迅速扩大，产生浓烈的烟雾和有害气体。隧道内地方狭小，大量的烟雾气体无法排除，同时给消防人员迅速扑灭火源，进行电力抢修带来极大的困难。电缆损坏危害极大，造成的影响难以估量，有必要进行全方位在线监测，避免此类事故的发生。常规的火灾报警系统无法全面监控如此长度的对象。而分布式光纤测温技术的出现，解决了这一问题。该技术使用一根光纤即可完成对长达数公里电缆的监测。因此，光纤测温技术在电力电缆中被广泛应用。

1 分布式光纤测温技术原理

光纤测温的基本流程为：使用光纤作为温度的测量和传输载体，向光纤中发射光脉冲，光纤中的介质将后向传递一小部分散射光。这部分散射光中，选取拉曼散射光作为监测对象进行分析。拉曼散射光包含Stockes和AntiStockes两种光波，其中斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光随温度变化而变化，使用两种光波之比和温度的定量关系，可求得温度：

式中，T为绝对温度，单位K；h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；IS、IAS为斯托克斯和反斯托克斯光强度，单位S－1／sr；f0、Δf 为伴随光频率及频率增量，单位S－1。

通过对散射光的快速采集，使用光时域反射原理（OTDR）计算出对应的位置，得到光纤上每个点的温度信息，即可完成对象温度监测。

2 系统硬件结构

系统硬件围绕如何获取Stockes和AntiStockes光强度进行设计，主要由高压电源、脉冲调制信号电路和半导体激光器LD组成的发射组件，分光模块和光电检测器APD组成的光接收组件，以及放大电路和采集卡组成的采集组件三部分构成。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

分光模块将背向散射回波分成Stockes和AntiStockes光；光电检测器使用高灵敏度的雪崩二级管。采集卡使用累加器和滤波模块，将采集到的信号转化为数字量进行输出，上位计算机根据采集卡数据进行计算，最终得到温度信息。

其中，半导体激光器（LD）电路设计见图2。

图2 半导体激光器高速驱动电路

半导体激光器组件中，有一个施密特触发器位于场效应管左边，触发脉冲以上升沿触发单稳态施密特触发器。半导体激光器在高频脉冲的驱动状态下工作时的热功耗较小，足以保证系统长时间安全稳定的工作。

3 系统软件技术

除了使用分布式光纤测温技术获取温度之外，系统针对电缆监测的特点，定制了专门用于电缆温度在线监测的软件架构和软件功能。

软件分别运行在分布式光纤测温仪以及远端的工控主机上，用于数据获取、计算以及报警显示。系统软件运行流程如图3。

（1）检测电缆的沿线温度变化情况。

（2）按照电力行业经验，对温度设置报警。报警数据可在软件中设置，每个测温点或区域应能独立设置预警及报警参数，各测温点及区域应能独立报警，不同报警方式可以交叉设置。

图3 系统数据流程图

（3）建立温度监控数据库。温度数据自动存储，可查询某测温点在某段时间内温度曲线数据，并可以用Excel表格形式导出。对各测温点温度进行实时统计，形成日、月统计数据报表。

（4）通过与上层监控平台进行软硬件对接，可将温度实时数据与历史数据库上传到上层监控平台，便于监控平台的统一读取和调用。

（5）基于软测量技术的电缆导体温度计算功能。

4 系统工程应用

聊城110 kV凤凰台变电站的高压电缆，因负荷较高，为避免电缆尤其是接头处的绝缘老化，造成短路等事故，目前采用对电缆及电缆接头安装敷设探测光缆的方式，使用电缆在线监测系统对电缆进行监测，对电缆夹层室到电缆隧道中长约800 m的区域进行分布式在线监测。同时联动消防灭火系统，监测到温度上升到危险状态时，会对超级干粉灭火器进行联动，保证事故被控制在一定的范围之内。通过检验，系统在完全满足温度精度±1℃的前提下，保证测量精度1 m的设计指标。