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

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。

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

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。