分布式光纤光缆测温的现场影响因素研究

杨晓辉，周 阳，刘懿莹，张逸凡

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052； 2.西安交通大学 电气工程学院，西安 710049)

0 引 言

随着我国电网系统的不断发展，输电线路日益增加，因此其故障情况也自然成为了需要重点关注的对象。对输电线路中电缆表面的温度进行在线监测能够及时发现电缆故障并采取有效措施，保障输电线路的安全可靠运行[1-3]。分布式光纤测温系统(Distributed Optical Fiber Temperature Sensor System，DTS)具有防燃、防爆、抗强电磁干扰能力强以及能够实现长距离和大范围的分布式测量等优点[4]，已逐渐被应用于架空光缆温度的在线监测中，但随之而来的是DTS的测温精度是否能达到工业要求的疑问。

近年来，许多学者都对如何提高DTS在使用过程中的测温精度进行过研究[5-8]，但之前的研究多数都是基于DTS内部构造来提高其测温精度，获得的参数也多为实验室条件下的参数。这方面的研究固然很重要，但将DTS应用到不同的实际工程之中时，其可能会面对各种不同的工况。在不同的现场条件下，实验室所测得的测温精度也会由于现场条件的不同而发生变化。在考虑现场影响因素时，本文主要研究了当使用DTS对光缆温度进行在线监测时，用裸纤在实验室中获得的定标参数能否较好地应用于实际的光缆之中，以及架空光缆的弧垂和振动是否对DTS的测温精度有较大影响。

1 基于拉曼散射的DTS工作原理及系统构成

1.1 工作原理

从量子理论的观点来看，可以把拉曼散射看成入射光和介质分子相互作用时，分子吸收或释放声子的过程[9]。此过程中入射光子会对声子进行吸收或者释放，分子之间发生能量转移，最终会出现斯托克斯(Stokes)和反斯托克斯(Anti-Stokes)两种与入射光频率不同的光子。

基于拉曼散射的DTS是利用光纤背向拉曼散射的温度效应进行测温，拉曼散射光由两种不同波长的Stokes和Anti-Stokes散射光组成，由于Anti-Stokes散射光对温度变化比较敏感，会随着温度的改变而改变，而Stokes散射光对温度变化不敏感[10]，因此可用Stokes光作为参考通道，用Anti-Stokes光作为信号通道，检测出两者光强的比值，然后再解调出温度信息，从而达到测温的目的[9-11]。

当用激光器向光纤中注入激光时，距离光源l处的Stokes光强为[11-12]

Anti-Stokes光强为

式中：Is和Ias分别为Stokes和Anti-Stokes光强；Ks和Kas分别为由光纤的有效截面积、拉曼频率下耦合器的耦合效率以及光纤的后向散射因子等决定的Stokes和Anti-Stokes系数；λs和λas分别为Stokes光与Anti-Stokes光波长；α0、αs和αas分别为光纤对入射光、Stokes光与Anti-Stokes光产生的传输损耗；l为从光纤入射端到被测点的距离；P(τ)为入射光的瞬时功率，τ为时间；τ0为激光脉冲宽度；T为光纤所处环境的温度；Rs(T)和Ras(T)分别为Stokes和Anti-Stokes与光纤拉曼散射中光纤分子低能级和高能级上的粒子数分布有关的系数，是Stokes拉曼背向散射光与Anti-Stokes拉曼背向散射光的温度调制函数：

式中：h为普朗克常量；Δv为光纤拉曼频移；k为波尔兹曼常量。

忽略Anti-Stokes与Stokes光在光纤中传播时的损耗系数的差异(认为αas=αs)，将式(3)和(4)分别代入式(1)和(2)后得到Anti-Stokes与Stokes光强之比为[12]

化简后可求得温度为

1.2 系统构成

DTS主要分为光路调制单元和数据采集处理单元，其系统构成如图1所示。其中光路调制单元主要负责光路的搭建，含有现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的驱动电路将数字脉冲发送给激光器，激光器触发发出脉冲光，经过双向耦合器和波分复用器分出Stokes光和Anti-Stokes光两路光信号，然后通过光电探测器转换为电信号并进行放大，再利用数据采集卡将采集到的电信号进行多次累加以降低噪声增加信噪比，最后通过特定的算法解调出温度信息，并发送到人机界面进行显示[4]。

图1 DTS的构成

2 实际光缆温度监测过程中部分影响因素的分析

在实际工作条件下，DTS所用的定标参数多为实验室所获得的参数，若将在实验室中用裸纤所获得的定标参数直接用于实际光缆，由于光缆的表皮具有一定的厚度，光缆和裸纤的包装材质也有所区别，可能会导致DTS实际使用过程中的测温精度发生改变。DTS应用于实际架空光缆的温度监测时，由于杆塔之间的间隙不同，还可能会导致光缆出现不同程度的弧垂，弧垂程度的不同可能也会影响DTS的测温精度。同时架空光缆还会由于现场的风速不同而产生不同频率的振动，这也可能会影响DTS的测温精度。

针对上述3种可能会对DTS在实际工作过程中产生影响的因素，我们做了以下3个实验。

2.1 裸纤和光缆测温对比实验

由于架空光缆较粗，难以放入气候箱中进行实验，所以在裸纤和光缆的对比实验中使用的是全介质自承式(All Dielectric Self Supporting，ADSS)光缆。实验时，首先将裸纤与ADSS光缆里面的光纤进行熔接，然后将40 m裸纤和40 m ADSS光缆放于多因子气候箱中进行测温对比实验，用气候箱内温度的变化来模拟环境温度的变化，研究在使用相同的定标参数时，在同一温度下裸纤和ADSS光缆的测温结果。实验装置示意图如图2所示。

图2 裸纤和ADSS光缆对比实验示意图

实验中所用的定标参数为裸纤在10 ℃时进行定标所获得的参数。实验时，将气候箱内的温度分别调节到-20、-10、0、10、20、30、40和50 ℃，气候箱内的温度数据由二等标准铂电阻温度计和数字多用表计算得出。为了尽量减小现场环境所带来的影响，每改变一次温度，都等待ADSS光缆和裸纤完全感受到了气候箱中的温度之后再进行数据的记录。记录数据时，将每次稳定后的状态保持10 min，每隔1 min记录一次二等标准铂电阻温度计的测温结果、裸纤测温结果和ADSS光缆测温结果，然后取10次测温数据的平均值作为该温度下的测温结果，结果如表1所示。

表1 裸纤和ADSS光缆测温对比实验结果

由表可知，裸纤和二等标准铂电阻温度计测温结果之间总会存在一定的误差，经过多次实验发现，这个误差是由于实验所使用的DTS自身原因所造成的，此处就不再分析。但由ADSS光缆和裸纤的测温结果差值可知，在10 ℃定标时，两者最初的差值已经达到了1.34 ℃，当后续改变气候箱中的温度时，两者之间差值最小为0.87 ℃，最大达到了2.35 ℃，误差仍然较大。

当把实验室中用裸纤所获得的定标参数直接用于实际光缆进行测温时，裸纤和光缆的测温结果差值较大，会导致实验室中获得的DTS测温精度在现场发生改变，即实验室所获得的定标数据不能较好地用于工程实践，同时也验证了前面的猜想，由于光缆的表皮具有一定的厚度，光缆和裸纤的包装材质也有所区别，所以当光缆和裸纤在同一环境温度下时，其内部光纤所感受到的温度也会有一些差异。但从结果中也可发现，该偏差中存在一定的系统误差，为了解决这种情况，我们可以对实验室用裸纤获得的参数加上一定的修正，将修正后的参数作为光缆的定标参数，或是在条件满足的情况下，直接用光缆进行定标，然后获得光缆的实际定标参数，这样会提高DTS现场使用过程中的测温精度。

2.2 光缆弧垂对测温精度影响的实验

实验时，通过对光纤复合相线(Optical Phase Conductor，OPPC)光缆分别施加0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 t等7种不同程度的拉力，来模拟光缆实际工况下的弧垂情况。使OPPC光缆处于7种不同程度的弧垂状态，每种弧垂状态保持10 min，每隔1 min记录一次现场环境温度数据和DTS测温数据，然后将10次的温度数据取平均值作为该弧垂高度下的温度数据，具体的弧垂实验示意图如图3所示，不同弧垂高度下的测温结果如表2所示。

表2 不同弧垂高度下的测温结果

图3 弧垂实验示意图

由表2可知，在不同弧垂高度时，测温结果绝对差值最小为0.049 ℃，最大为0.671 ℃，由于DTS在实际的测温过程中本身就会存在一定系统误差，即实验结果的测温绝对差值中还包含着一定的系统随机误差，说明不同弧垂高度对基于拉曼散射的DTS的测温结果影响较小，在可接受的范围内。

2.3 光缆振动对测温精度影响的实验

实验时，利用激振器对OPPC光缆施加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3和1.4 Hz的频率，使光缆在不同的频率下振动来模拟光缆在现场工况下的低频振动情况。为了尽量减小现场环境温度变化所带来的影响，使每种振动频率状态保持10 min，每隔1 min记录一次现场环境的温度数据和DTS测温数据，然后取10次测温数据的平均值作为该频率下的测温结果，现场环境的温度数据由二等标准铂电阻温度计和数字多用表计算得出。振动实验示意图如图4所示，不同振动频率下振动的测温结果如表3所示。

表3 不同振动频率下振动的测温结果

图4 振动实验示意图

当没有振动时，DTS和二等标准铂电阻温度计测温结果绝对差值为0.111 ℃，当振动频率从0.1 Hz加到1.4 Hz时，测温结果的绝对差值最小为0.024 ℃，最大为0.229 ℃。由于DTS本身测温系统误差的存在，说明频率小于1.4 Hz的光缆振动对基于拉曼散射的DTS测温结果影响较小，在可接受范围内。

光缆在振动和弧垂情况下，测得的温度发生变化，是由于内部光纤会受到应力发生弹光效应，从而使光纤发生应变并导致折射率的改变，而折射率变化又会导致光纤拉曼频移和光传输损耗的变化，最终使Anti-Stokes和Stokes光强比Ias/Is发生改变，当Ias/Is发生改变后，由式(6)计算得到的温度T也会变化。然而由实验可知，在实际情况下，这种由应力导致的温度变化较小，所以在实际工程条件下，应力导致的测温误差可以被接受。

比较弧垂和振动实验的结果可知，虽然轻微弧垂和低频振动都对基于拉曼散射的DTS测温结果影响较小，但相对于振动来说，弧垂的影响更加明显。因为在振动情况下，光纤所受的应力在周期性的变化，光纤受到动态应变。而弧垂是在光纤上加载不变的应力，光纤受到静态应变。相较于动态应变，光纤静态应变下折射率的变化更大，从而导致最终计算得到的温度值变化更大。

3 结束语

本文针对基于拉曼散射的DTS实际应用于监测光缆温度过程中可能对测温结果产生影响的几种因素进行了研究，主要是探究DTS在实验室所获得的定标数据能否较好地用于工程实践，以及现场光缆的弧垂和振动是否会对测温结果产生较大的影响。通过对实验数据的分析，得出以下结论：

(1) 若将裸纤在实验室条件下获得的定标参数直接用于现场的实际光缆中，相同温度下，光缆的测温结果和裸纤的测温结果之间总是存在着一定的系统误差，即实验室所获得的定标数据不能较好地用于工程实践。为了消除或减小这种误差，可以将实验室获得地裸纤定标参数加以适当的修正，或直接使用光缆获得实际的定标参数，然后再用于现场光缆，这样能使DTS更好地适用于对光缆温度的监测，提高DTS在实际使用过程中的测温精度。

(2) 虽然光缆的轻微弧垂和低频振动对DTS测温结果影响均较小，在实际工作中可被接受，但相对于振动来说，弧垂的影响会更加明显，也说明了静态应变比动态应变对测温结果的影响更加明显。