分布式光纤温度传感器的高压电缆温度在线监测系统研究

李英杰,翟瑞占,王胜滔

（山东省科学院激光研究所,山东 济宁 272000）

0 引言

实践证明，多数高压电缆故障都是由小问题逐渐演变成为大事故，在此过程中，经常会出现高压电缆温度异常等情况，主要表现为缺陷处温度过高，直接加速了电缆线的绝缘老化，严重时甚至会出现热击穿。因此，对高压电缆线的温度进行监测就能够快速定位出现问题的部位，及时修补，以免出现重大事故，提升电缆线运动的安全性。

1 监控系统的工作流程

电缆安全监控系统（DTS）通常是按照光纤时域的反射原理（OTDR）以及光纤背向拉曼散射的温度效应研发的[1]。在时域中，运用电缆安全监控系统就能够按照光在光纤中的传速度以及相应的回波时间等对温度进行定位。详情见图1：

图1 分布式光纤测温系统原理图

1.1 光纤背向拉曼散射的温度效应分析

每当激光脉冲开始在光纤中传播时，就会产生拉曼散射以及瑞利散射，在频域中，拉曼散射光子可分为反斯托克斯拉曼散射光子以及斯托克斯拉曼反射光子，而自发的拉曼散射光子的强度主要依赖于光纤的温度与状态，在0°-120°C温度范围内，平均温度灵敏大约为1.65%/K。

为了有效的避免激光管输出的不稳定以及接头的损耗等，有效的提升测量温度的准确定，在设计中应当采用比较双通道双波长的办法，即分别对反斯托克斯拉曼散射光子以及斯托克斯拉曼反射光子进行采集，运用二者强度的比值来调节温度的信号[2]。一般情况下，反斯托克斯光对于温度的灵敏度更强，因此可将反斯托克斯光当做信号通道，将斯托克斯光当做比较通道，公式如下：

对于固定温度来说，则可由以下公式表示:

由上述计算公式得出：

在上述公式中，λs以及λa分别代表斯托克斯光与但斯托克斯光波长，Is代表斯托克斯光的强度，Ia代表反斯托克斯光的强度，h代表普朗克常数，k则代表玻尔兹曼常数，△γ代表偏移波数。R(T)代表两种光的强度对比。由此可见，在确定测温系统后，通过R(T)就能确定光纤测量点的温度。

1.2 热传导分析

一般情况下，普通光纤的耐温强度通常不会超过125°C，可运用热传导原理对于电缆线的金属外套的温度进行监测，如此便可摆脱外部环境的影响。详情见图2：

图2 热传导原理图

其中TC代表探测光缆中心的传感光纤温度，TA代表高压电缆电载体发热之后的温度，而TB则代表高压电缆以及探测光缆接触面的温度。

1.3 光纤时域反射的原理分析

当激光脉冲在光线中实施传输时，由于光线中出现的折射率具有不均性，会产生瑞丽闪射，入射的光经过背向闪射，返回到光线入射端需要的时间为t，而在光纤中激光脉冲的距离为2L,2L=v.t，其中v代表光纤中光的传播速率，v=c/n；c代表真空中的光速，而n则代表光纤的折射率。在t时刻监测到的是离线光纤入射端距离为L处的局部背向瑞丽闪射光，运用光纤时域的反射原理就能够有效的判定光纤的故障点以及损耗情况等，因此通常也被成为“光线雷达”。

2 温度在线监测系统的设计

高压电缆温度在线监测系统主要由监控主机以及测温工程机等设备组成，见图3：

图3 高压电缆温度在线监测系统

2.1 后台监控机

后台监控机通常是从光纤测温工程机来获得电缆的实时温度，随后由电量采集设备取得正常电压，对电缆线芯的温度以及动态载流量进行计算，以此为依据分析高压电缆线温度是不是过高。后台监控机的主要作用是：第一，能够对电缆线进行远程监控与分析；第二，能够及时采集电量，并储蓄数据；第三，能够及时进行故障判断，出现故障时及时报警。

2.2 光纤测温机

光纤测量温度的工程机通常是由数据采集卡以及光学测量等设备构成，能够及时的监测光信号，并经过调解计算出电缆的温度，实现实时监测。

2.3 电量采集单元

电量采集单元能够对电流信号以及电缆的电压进行采集，随后通过变送器将TV以及TA二次侧信号经过转换后传递给数据采集卡，数据采集卡再传递给计算机[3]。在系统运行的过程中，电缆正常电流的有效值可用于计算线芯的温度，而短路电流值则可用于诊断故障。因此电量采集电源需要收集保护以及测量二次测电流的值，采集测量TA以及保护TA二次侧电流信号需要通过测量电缆传递至监控主机，电压信号则可通过电压互感器得到，经过转换后传输至监控主机即可。

3 结束语

综上所述，对高压电缆线的温度进行监测就能够快速定位出现问题的部位，及时修补，以免出现重大事故，提升电缆线运动的安全性。分布式光纤温度传感器的高压电缆温度在线监测系统能够随时对高压电缆线进行监测，并能够及时收集电缆线的数据进行分析，判断电缆线是否出现了温度过高或者耗损过高等情况。假如出现温度过高的情况时，能够自动发出警报，提醒工作人员进行维修，以此提高工作效率，保证高压电缆线的稳定运行。

[1]彭俊臻，张明，宋萌，胡南南，曹昆南，王达达，王龙，王斐宏.饱和铁芯型超导限流器对电力系统暂态稳定的影响[J].低温物理学报 , 2013(04)：307-312.

[2]廖瑞金，周天春，刘玲,周湶.交联聚乙烯电力电缆的电树枝化试验及其局部放电特征[J]. 中国电机工程学报,2011(28):136-143.

[3]杨耿杰,苏爱国,郭谋发,丁国兴,陈亚民.应用GPRS及光纤测温技术的电力电缆监测系统[J].电力系统及其自动化学报,2009(04)：100-105.