光纤测温技术在无轨电车输电电缆上的应用

北京公共交通控股（集团）有限公司 邵 强 赵汝亮

受技术水平限制，利用红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、传统的点式测温系统均无法实现对无轨电车输电电缆温度长距离实时在线监测，尤其是对地下封闭环境的温度监测更是无能为力。而分布式光纤测温系统可解决这一难题。

1 分布式光纤测温技术简介

分布式光纤测温系统（DTS）的工作原理是，利用光在光导纤维中传输时产生的自发拉曼（Raman）散射和光时域反射（OTDR）原理来获取空间温度分布信息：如果在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，激光在光纤中向前传播时将自发产生拉曼散射光波，拉曼散射光波的强度受所在光纤散射点的温度影响而有所改变，通过获取沿光纤散射回来的背向拉曼光波，可以解调出光纤散射点的温度变化。根据光纤中光波的传输速度与时间的物理关系，可以对温度信息点进行定位（OTDR）。由于背向拉曼散射光波的强度非常微弱，因此需要采用先进的高频信号采集技术和微弱信号处理技术，经过光学滤波、光电转换、放大、模数转换后，送入信号处理器，解调出光纤各测温点的温度值；将采集的温度数据传送到计算机系统进行数据处理，通过组态软件展示各测温点的温度值和变化状态。当某一被监测点的温度超过系统设定的报警阈值时，自动启动报警装置通知值班人员处理。另外，通过计算机网络可以实现远程数据共享。

分布式光纤测温技术具有连续分布、本质安全、测温精确、耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，完全满足无轨电车输电电缆温度监测的所有要求。该测温系统结构主要由铠装测温光缆、测温主机（连续分布全光纤测温仪）、预警管理终端和远程监控终端四大部分组成。根据需要可以采用多台测温主机进行组网，扩大测温范围。

2 光纤测温技术的应用与效果

北京公交集团开展“分布式光纤测温系统”应用项目，对杨闸环岛公交站到慈云寺桥部分路段的无轨电车输电电缆运行温度实施在线监测和预警。项目使用一台4公里8通道的分布式光纤测温仪（DSC-DTS4K-8P）布置在杨闸环岛公交站内的箱式变压器中，共使用测温主机的7个通道对架空段电缆、地埋段电缆及电缆接头的温度进行实时监测。其中1个通道用于监测公交站内的电缆，4个通道用于监测走向三间房路二号闸箱的4根电缆，1个通道用于监测公交站至架空处区域的电缆，1个通道用于监测走向杨闸环岛方向的2根电缆，另留有1个通道备用。测温主机的7个通道分别连接的光缆长度（即监测电缆长度）依次为2700米、2700米、1500米、1500米、800米、350米、400米。系统通过北京公交集团内部网络将现场温度数据传到位于远端的北京公交电车公司供电所的管理终端，工作人员可以通过管理终端上的远端软件随时查看电缆运行过程中的温度状况。

由于无轨电车输电电缆有长距离的井下电缆和架空段电缆，故本项目研究了两种新型结构的测温光缆，分别用来监测架空段电缆及井下地埋电缆的实时运行温度。

架空段新型测温光缆需要设计使用一种非金属光缆，且该光缆要保证长时间防雨水、防阳光照射、耐高温、可靠性强、温度感测性能较好。这种新型架空电缆温度监测光缆是把传感光纤放在一根充油塑料套管内，这样使光缆有很好的防水、防震性能；套管外面采用凯夫拉纤维紧密缠绕加强；最外层采用阻燃LSZH护套防护。传感光纤为满足国际标准的多模光纤芯，有很好的拉曼散射特性。

地埋段新型测温光缆需要设计使用一种金属铠装光缆，且该光缆要保证防潮性能良好、机械强度高（抗拉性、抗压性）、可靠性强、温度感测性能较好。这种新型地埋电缆温度监测光缆是由阻燃外层护套、不锈钢软管、不锈钢编织层、芳纶纱及内层光纤组成，具有良好的抗压性和抗拉性，可在恶劣环境下长期使用，如无人力破坏（包括大力拉扯、强行弯折等行为）不会损坏。

本项目共敷设9980米测温光缆，测温光缆分为三种，其中使用1020米1芯非金属测温光缆监测架空处电缆，使用180米8芯铠装测温光缆监测公交站至第一根电杆段的地埋电车电缆，使用8780米1芯铠装测温光缆监测其余部分地埋电车电缆。除敷设用量，施工过程中还存在一定损耗，共计使用12000米光缆。

无轨电车输电电缆温度监测对测温精度及定位精度要求较高，为保证检测效果达到最优，经试验测试，将测温主机测温精度定为1摄氏度，定位精度定为1米，测量周期缩短至每公里1秒。由于测量距离较长，我们将通用的波长为915纳米的激光器改为1550纳米波长的激光器，以保证长距离电车电缆的温度监测。

项目采用分布式光纤测温系统实现了以下功能：一是通过对杨闸环岛公交站到慈云寺桥部分路段的地下电缆、部分架空电缆以及电缆中间接头的实时在线监测，了解电缆运行过程中的温度状况。二是通过监测到的温度状况实现定温、差温、差定温报警功能，在电缆温度发生异常时及时报警，并能根据长期累积数据实现预警功能，防患于未然。三是及时掌握被测电缆的故障趋势，进行智能分析，准确定位故障位置，以指导电气设备检修工作，减少非计划停运，保障电车系统安全运行。四是所有的数据实现分级管理、远程控制，为提高无轨电车运行效率、调整发车频次提供决策依据。

光纤测温技术实现了无轨电车电缆及电缆接头温度的实时在线监测，值得推广应用。