基于分布式光纤测温的电力电缆温度监测系统

李双厚+李庆延+张国庆

摘 要：随着地下电缆在供电系统中应用和逐渐推广，实现地下电缆的安全、稳定和经济运行对确保供电系统的安全性、稳定性、经济性等意义重大。在电缆输电过程中电缆温度变化对其运行状态影响很大，因此提出了基于分布式光纤测温的电力电缆温度监测系统，本文着重介绍了该系统的工作原理及软硬件组成。

关键词：地下电缆；分布式光纤测温系统；拉曼散射；光时域反射

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.141

0 引言

随着我国城市化建设不断发展，城市中电缆逐渐由架空铺设转变为地下铺设，地下电缆规模快速扩展，伴随着地下电缆的安全性以及可靠性等问题日益明显，因此亟待一种有效的电缆安全监测方法。研究表明，电缆温度与电缆运行状态间存在着密切的关系，当电缆运行负荷变化时，则电缆温度也会随之发生相同趋势的变化[1]。如果电缆在运行过程中某处温度迅速升高，则说明运行负荷过大或电缆此处存在问题；当电缆长时间处于允许的极限温度时，则会导致电缆老化，发生故障。反之为了避免电缆温度过高，采取使电缆长时间处于低负荷运行，则使电缆不能被充分利用。为了保证电缆在运行过程中既可安全运行，又可充分利用，所以需要对电缆进行实时温度监测，便于及时掌握和预测电缆的运行状态[2]。

在实际工程中，电缆线芯温度是很难被直接测量，因此只能通过间接的方法来获取线芯温度，分布式光纤测温系统是将测温光纤与电缆紧密贴合，对电缆进行实时温度监测，通过测温光纤测量电缆表皮温度，进而推算线芯温度。测温光纤具有能连续获取电缆整条线路上温度信息的优势，同时具有抗电磁干扰性强、维护成本低、对温度变化敏感等优点。因此近年来分布式光纤测温技术逐渐被应用到地下电缆的温度监测。

1 分布式光纤测温原理

分布式光纤测温系统是利用光纤的拉曼散射温度效应来实现电缆温度的测量，温度点定位通过光纤的光时域反射原理来实现。

1.1 拉曼散射温度效应

当激光发射器产生的光在光纤中传输时，光脉冲与光纤中的分子相互作用而发生散射，发生的散射光包含多种类型。其中拉曼散射是由于光纤中分子的热振动与光脉冲相互作用发生能量交换而产生的，因此拉曼散射光的强度与温度有关，对温度变化敏感，利用拉曼散射中的斯托克斯光和反斯托克斯光可以推算出光纤所处外部温度。当测温光纤所处外部环境温度为时，在测温光纤处的斯托克斯散射光功率为，反斯托克斯散射光功率可表示为，将和进行作比，可得到关于温度的函数，进一步推导计算即可得出光纤上距离为处的温度值。

式中，为普朗克常数，为波尔兹曼常数。由公式（1）可知，反斯托克斯散射光被斯托克斯散射光解调，可推导出光纤上距离为处的温度的函数，通过该函数即可计算出光纤沿线的温度值。

1.2 光时域反射原理

光在光纤中传输，光纤中各点会产生后向散射光，公式（2）是光纤中散射点位置与时间的函数关系。其原理示意图如图1所示。

式中，是真空中光的传输速度，是光进入光纤时开始计时，到接受到返回的散射光的时间。实际中光在玻璃中的传输速度比真空中慢，為光纤的折射率，由生产厂商具体标明。

2 分布式光纤测温系统组成

基于分布式光纤测温的电力电缆温度监测系统主要由如下三部分组成。

（1）测温主机。测温主机是安装于监控室内，主要是由激光发射器、滤波器、光电转换模块、信号采集及处理单元等构成，其主要功能为实时采集、处理并传输电缆运行温度信息。

（2）测温光纤。测温光纤安装于所要监测的电缆的表面，依据光纤传感技术用于探测电缆表皮温度信息。

（3）后台监控主机。后台监控主机内置组态软件，利用网络与测温主机通信，获取电缆表皮温度信息，通过表皮温度进行线芯温度和载流量的计算；利用OPC服务器实现组态软件与数值分析软件MATLAB之间通信[3]，实现电缆温度预测。后台监控主机主要功能有：①实时显示温度并预测温度变化趋势；②电缆温度图像化显示；③实时监测电缆温度，超温预警、报警；④实现电缆载流量计算；⑤电缆运行温度、载流量等运行信息的存储、记录。

3 结论

基于分布式光纤测温的电缆测温系统应用于地下电缆测温具有明显的优势，可以精确地、实时地对地下电缆进行温度监测，能准确地定位观察沿线电缆的运行情况，当电缆出现温度异常时，可以及时定位到异常温度点，避免电力事故发生。

参考文献：

[1]李艳秋，曹钟中，靳涛.电力电缆火灾监测及防火预警系统的研制[J].华北电力技术，2001，1（02）：23-24.

[2]张振鹏，赵健康，饶文彬等.电缆分布式光纤测温系统测量结果符合性的比对试验[J].高电压技术，2012，38（06）：1362-1367.

[3]刘国建.埋地电力电缆发热机理与温升监测系统研究[D].上海电力学院，2016.endprint