高压电缆光纤测温系统配置方案研究

高压电缆光纤测温系统配置方案研究

作者：丘栋

来源：《科技传播》2011年第22期

摘 要 高压电缆光纤测温系统利用光纤作为传感器，采用拉曼散射背向光温度效应和光时域反射原理，测量精度高，定位准确，安全可靠，实时监测电缆运行温度，连续监测电缆运行状况，可以有效地预测故障，提高电缆载流量。

关键词 高压电缆；光纤测温系统；测温传感器；电缆载流量

中图分类号TM8 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）55-0109-02 0 引言

如何判断高压电缆运行是否正常，温度是最重要也是最基本的物理量。通过对电缆、电缆接头、电缆终端等进行温度监测，可以预测或及时发现电缆可能或正在发生的故障，有效地防止电缆事故的发生。光纤测温技术主要利用光纤作为温度信息的传感器和传导介质，利用Raman散射光对温度敏感的特性，可以检测出光纤沿线每一点的温度变化，实现对光纤所达之处的全范围温度监测，与传统测温方法相比，具有明显的优点，在高压电缆运行在线监测中得到了非常广泛的应用。 1 光纤测温技术基本原理

光纤测温技术利用光纤作为传感器，其主要工作原理是拉曼散射（RAMAN SCATFORING）背向光温度效应和光时域反射原理（OTDR）。

当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，光脉冲沿着光纤向前传播，因为光纤内壁类似镜子，光脉冲在传播中的每一点都会产生散射现象，如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等，经过分析研究得知，拉曼散射光较易因温度的变化而改变强度。在拉曼散射光中，有一小部分散射光的方向与入射光脉冲的方向相反，即为背向拉曼散射光，其强度与光线中反射点的温度有一定的关系。反射点的温度越高，反射光的强度越大。因此，若能测量出反射光的强度，就可以计算出反射点的温度。假设入射光的频率为V0，背向散射光中除有一与入射光频率相同的很强的中心谱线外，在其两侧，还存在（V0-ΔV）及（V0+ΔV）两条谱线，中心谱线称为瑞利散射谱线，低频一侧频率为（V0-ΔV）、波长为λS的谱线称为斯托克斯线（Stokes），高频一侧频率为（V0+ΔV）、波长为λa的谱线称为反斯托克斯线（Anti-stokes）。根据拉曼散射理论，在自然拉曼散射条件下，反斯托克斯光强Ia和斯托克斯光强IS的比值为R（r），有 R（r）=Ia/IS=（λS/λa）4exp(-hcV0/kT) （1）

式中：h：普郎克常数；c：真空中的光速；k：波尔兹曼常数；T：绝对温度

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从（1）式：可知，R（r）仅与温度T有关，与光强I、入射条件、光纤材质及外观大小无关。因此，可以借助R（r）来实现温度绝对值测量。

利用光时域反射原理（OTDR），根据光在光纤中传播速度和背向光的时间，准确定位散射点的位置，可以将光纤沿线各点的温度信息按实际距离进行表示。 2 光纤测温系统配置方案 2.1 系统结构

为了提高系统的可靠性和实时性，光纤测温系统主干部分采用全分布开放式的系统结构，现场测量系统采用全网络总线结构，主干部分与现场测量系统之间的通信联系通过冗余星型交换式100Mbps光纤以太网的方式。为了便于远方监控，光纤测温系统还提供了远程工作站的接口及相应控制软件。在电力系统、工矿企业的厂站里，高压电缆光纤测温系统一般是作为SCADA的一个子系统，因此，光纤测温系统还提供了SCADA的接口。

测温传感器采用温度敏感晶体作为传感元件，采用光纤作为温度传感材料，一般采用陶瓷封装，传感头将温度信号转换为调制光信号，并将光信号通过光纤传导到主处理器，可实现高压隔离。传感头非常小巧，体积较小，与被测物体表面直接接触时，能够快速反映温度的变化。

测量方式一般分为单端测量、双端测量，从实际测量效果分析，双端测量的精度更高。 通道形式有单通道、双通道、多通道等多种方式，根据主处理器提供的接口和现场实际需求，可择优选择。

2.2 光纤、测温传感器选型要求

光缆一般采用单模或者多模光纤，多模光纤选择50/125μm或62.5/125μm，单模光纤为普通的smf-128，光缆本身就是传感器，通过它可以测得沿光缆所有点的温度分布情况。光缆要求必须具有很好的热传导特性，同时可以在恶劣环境中长期生存和工作，必须适应传输线路内的环境，选择足够需要的光缆芯数。

测温传感器的选型要求主要有测量点数、测量温度范围、精度和分辨率、数据采样频率、安装位置的尺寸等。 2.3 测温传感器安装方式

测温传感器有一个固定测温面，安装的时候，一定要将测温面尽可能和被测物体多接触，可以采用埋入、植入、胶带捆绑、卡子固定、螺纹固定、胶粘等安装方式。

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2.4 光纤敷设方式

高压电缆光纤测温电缆通常有3种敷设方式： 1）电缆内置敷设

这种方式要求在电缆生产时就要将光纤装在电缆中，仅适用于少数至关重要的电缆的电流负载和功率监测。 2）电缆表面敷设

这种方式简单易行，非常适合用于电缆隧道、廊道桥架、电缆沟及电力排管动力电缆的温度监测，适用于大多数关键性电缆的运行温度监测。一般有以下3种方式： 直线敷设：沿着被测电缆依附表面敷设，一般适用于单根电缆； 蛇形敷设：在多根电缆之间进行蛇形走线，扩大测量面积；

网络敷设：在整个电缆敷设平面进行网络状布置，适合大面积的温度测量。 3）电缆接头、终端的敷设方式

在电缆接头、终端处，光缆采用双环型缠绕方式固定在电缆的终端及电缆接头处，保证测温光缆与电缆终端或电缆接头紧密接触。 3系统主要功能及高级应用 3.1 系统主要功能

实时监测电缆的运行温度，积累数据，寻找电缆在不同季节和每天不同时段的温度变化情况，可以有效掌握电缆的运行状况，改变了目前电缆监测无实时监控状态，避免大的恶性事故发生。

准确定位电缆事故位置，显示事故时的温度状态。

可以对电缆接头、电缆终端、电缆局部过热点进行重点监测，并根据测量数据，改善周围的散热环境，避免事故发生。

通过积累和分析电缆运行的温度数据，研究电缆温度与电缆老化的关系，寻找电缆瓶颈处运行温度和载流量变化的关系，实现有效利用电缆设计允许载流量和达到经济运行。 3.2 系统性能指标

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稳定性：系统平均无故障时间MTTF可达12.5年，测温光缆的寿命长达30年。 精确性：温度精度可达±0.5℃，定位精度可达0.25m。

实时性：系统响应时间最快仅0.5s，实时显示最长达30km的温度分布曲线图。

灵活性：可设定多达500个分区，各分区长度可任意设定，可设置多级定温、温升速率、平均温度报警。

适应性：探测范围从2km~30km，测温回路数最多达到16个通道。 测温范围：-40℃~200℃，温度分辨率为0.1℃。 3.3 电缆载流量的应用

光纤测温系统可以监测电缆芯长期运行的温度状态，检查运行电缆的负荷率，支持用户自定义运行电缆载流量的计算，为电力调度提供强有力的数据支撑。 4 结论

高压电缆光纤测温系统测量精度高，定位准确，安全可靠，实时监测电缆运行温度，连续监测电缆运行状况，可以有效地预测故障，预防被迫停电，提高电缆载流量，增强电缆可靠性，有利于更好的电网管理，在电力电缆在线监测中已经得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益。 参考文献

[1]范茜.分布式光纤温度监测技术在电力系统中的应用[J].青海电力，2005，9，24(3). [2]李军，等.电力电缆光纤光栅测温在线监测系统[J].江苏电机工程，2005，1，24(1). [3]滕峰成，李向春.高压开关设备光纤在线测温仪[J].高压电器，2002，12，38(6).