基于分布式光纖溫度傳感器的風(fēng)電場復(fù)合纜在線檢測系統(tǒng)

淮南聯(lián)合大學(xué) 洪 濱，呂慶洲

1 引言

與一些發(fā)達(dá)國家相比，我國電網(wǎng)的電纜平均故障率偏高，尤其是惡劣條件下的風(fēng)電場。一般來說，電纜線路由于長期過載而使絕緣劣化，特別是外部環(huán)境惡劣及內(nèi)部過電流的條件下，引發(fā)端頭或中間頭局部出現(xiàn)高溫，使得電纜端頭或中間頭處常常發(fā)生短路現(xiàn)象，極易引起火災(zāi)甚至爆炸事故。而光纖傳感技術(shù)的發(fā)展為電力電纜動態(tài)監(jiān)測與安全防護(hù)提供了簡單有效的解決方案。

基于拉曼分布式光纖溫度傳感器適用于大跨度、長距離、環(huán)境復(fù)雜的傳感環(huán)境，具有事件檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點，而且可以實時對有威脅事件進(jìn)行定位，十分適合長距電纜的安全防護(hù)。利用復(fù)合光電纜中光纖作為傳感單元，結(jié)合先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù)，可以在不重新施工的情況下完成對風(fēng)電場電纜的安全防護(hù)，這對于在實際工程中確保各種風(fēng)電場能量傳輸電纜的安全有重要意義。

2 具有溫度在線檢測光電復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)

國家發(fā)改委提出：2020年風(fēng)電的總裝機(jī)為2000萬kW，代表性品種為“1.8/3kV及以下風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲軟電纜”。這種電纜一般采用乙丙橡膠或硅橡膠絕緣（也有用EVM），氯磺化聚乙烯或氯丁橡膠或聚氨酯彈性體為護(hù)套。

2.1 風(fēng)力發(fā)電專用電纜

風(fēng)力發(fā)電用電纜特點是：耐扭轉(zhuǎn)、耐低溫、耐日光、耐油、耐鹽霧（五耐電纜），如圖1所示。根據(jù)設(shè)備和環(huán)境的不同，可分為以下幾類：

（1） 塔內(nèi)耐扭電纜，包括①耐扭動力電纜：亦稱“風(fēng)機(jī)主纜”，用于傳輸電能，主要是用在發(fā)電機(jī)與變頻器或變壓器之間，或用于機(jī)艙與塔底變頻變流柜連接；其中，2MW以下的風(fēng)機(jī)主要是用0.6/1kV及以下的軟電纜；②耐扭電源線：亦稱“風(fēng)機(jī)輔纜”，它為照明等供電用耐扭電線，300/500V、450/750V的裝備用耐扭電線；③耐扭控制電纜：類似于GB9330中的控制電纜(彈性體或橡皮材料，軟結(jié)構(gòu))；④耐扭通信類電纜：通信電纜，光纜等。

（2） 塔內(nèi)非耐扭部分電纜，包括①普通電纜（固定敷設(shè)）；②母線排。

（3） 塔外電纜部分，包括①一般低壓電線電纜（固定敷設(shè)）（2MW以下）；②中壓（10kV、35kV）電纜（固定敷設(shè)）（3MW以上）；③柔性直流電力電纜（并網(wǎng)電纜）。

圖1 風(fēng)力發(fā)電專用電纜

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都是通過變頻器變成工頻上網(wǎng)的，如圖2所示。顯然，作為風(fēng)電場實現(xiàn)能量傳輸?shù)膶Ｓ秒娎|，它與電力系統(tǒng)普通電纜相比，要求具備低傳輸阻抗、低絕緣損耗、高抗電磁干擾性、高電磁耦合平衡性與環(huán)保性能于一身。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，研究人員通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究，從結(jié)構(gòu)、工藝和試驗方式上開始設(shè)計大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)用輸電光電纜。

圖2 風(fēng)力發(fā)電直接接線系統(tǒng)

本文研究的“風(fēng)電場光電復(fù)合電纜產(chǎn)品”屬于塔外10kV中壓電纜，為了滿足風(fēng)場要求，宜符合以下技術(shù)要求：

? 電纜的設(shè)計使用壽命為20年；

? 電纜使用的環(huán)境溫度為-40～+50℃；

? 導(dǎo)體長期的最高工作溫度為90℃，瞬時短路電流引起最高短路溫度不超過250℃；

? 電纜的最小彎曲半徑為電纜直徑的6倍；

? 電纜能夠經(jīng)受IEC 60332-1-2單根垂直燃燒試驗和IEC 60332-3 C類成束燃燒試驗要求；

? 電纜燃燒時釋出氣體的測定能符合IEC 60754～I(xiàn)EC 60754-2的要求；

? 電纜必須具有耐油性能；

? 電纜必須具有耐紫外線輻射性能；

? 電纜外護(hù)套能夠經(jīng)受IEC 60811-1-4試驗方法規(guī)定的-40℃、16h的低溫性能試驗要求；

? 電纜必須經(jīng)受常溫下扭轉(zhuǎn)試驗：在室溫環(huán)境下，將l0m長的電纜懸掛在可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪上，電纜下部固定，轉(zhuǎn)輪先順時針扭l440°，再逆時針扭轉(zhuǎn)相同角度，使電纜恢復(fù)到原始狀態(tài)，此后逆時針扭轉(zhuǎn)l440°再順時針扭轉(zhuǎn)相同角度使電纜恢復(fù)到初始狀態(tài)，此為一個周期，共3600個周期。電纜經(jīng)扭轉(zhuǎn)試驗后，外觀應(yīng)無開裂現(xiàn)象，并且局部放電和電壓試驗符合規(guī)定要求。

2.2 具有測溫功能的風(fēng)電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)

本風(fēng)電復(fù)合纜選用 “對稱3”+“獨立1”屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而，實現(xiàn)電纜抗電磁輻射性能的目的，保證電纜一方面不受外界干擾，另一方面不干擾其它電控設(shè)施，以提高風(fēng)電上網(wǎng)系統(tǒng)的用電安全性，實現(xiàn)變頻器和電源的匹配，改善功率因數(shù)，減少高次諧波的不良影響。

圖3 10kV風(fēng)電場光電復(fù)合電纜結(jié)構(gòu)

本復(fù)合纜為了導(dǎo)體的增強，采用鋼銅混合絞結(jié)構(gòu)(如3鋼4銅結(jié)構(gòu)等)，作為中心股將銅線股線絞合在其外邊。因此，從電纜導(dǎo)體的軸向上看合成纖維是直的，而所有的銅單線都是螺旋型的。電纜受力最先被拉伸的必然是合成纖維，隨著外力的逐漸增大，伸長加大，銅單線再從內(nèi)向外先后受到拉伸。從而有效提高了電纜導(dǎo)體本身的抗張能力。本風(fēng)電復(fù)合纜基本結(jié)構(gòu)有以下特點：

（1）導(dǎo)體材料。導(dǎo)體材料選用優(yōu)質(zhì)退火無氧銅，根據(jù)使用條件，選用符合DIN VDE 0295/IEC60228標(biāo)準(zhǔn)要求的第5種鍍錫軟銅導(dǎo)體，導(dǎo)體表面鍍層應(yīng)均勻、光亮、無氧化和毛刺等。

（2）絕緣材料。絕緣材料采用符合IEC 60092-351的乙丙橡膠混合物，但抗張強度應(yīng)不小于6.5MPa。乙丙橡膠混合物具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的耐熱老化性、優(yōu)異的耐寒性、卓越的電絕緣性能和耐臭氧、耐氣候性，并且無毒無臭，完全滿足電纜使用的需求。

（3）三層共擠工藝。利用三層共擠工藝，導(dǎo)體屏蔽、絕緣層、絕緣屏蔽一次擠出。相對于多次擠出工藝，三層共擠能保證絕緣和屏蔽的緊密無間隙結(jié)合，防止污染，從而避免電纜在高電場下的游離放電現(xiàn)象，有效降低了局部放電水平，絕緣性能更佳。顯然，三層共擠工藝還可以進(jìn)一步提高絕緣體的綜合性能，保證電纜的電壓降和相間干擾優(yōu)越性。

圖4 電纜三層共擠工藝設(shè)備

（4）蔽層材料。內(nèi)、外屏蔽層材料采用乙丙橡膠混合物半導(dǎo)電屏蔽料，其熱老化性能應(yīng)與相結(jié)合的絕緣層相當(dāng)，在絕緣屏蔽層外再繞包一層鍍錫銅絲作為其金屬屏蔽層，以改善電纜的屏蔽效能。編織屏蔽層材料主要采用符合GB/T 4910的鍍錫銅絲，為防止扭轉(zhuǎn)時屏蔽層開裂采取特殊設(shè)計，提高其耐扭轉(zhuǎn)性能。該結(jié)構(gòu)一方面使電纜結(jié)構(gòu)緊湊、成本下降，同時改善了電纜的柔軟性，另一面提高了電纜在高頻環(huán)境下的屏蔽效果，使保護(hù)電磁場呈筒形閉環(huán)分布。

（5）隔離層采用PBT聚酯帶。采用耐熱、非吸濕性和高強度的材料，可以提高屏蔽層與線芯的耐電壓沖擊性。

（6）外護(hù)層采用無鹵材料。綠色環(huán)保安全是現(xiàn)代電纜外護(hù)套的基本要求，而現(xiàn)代無鹵材料具有耐油、防水、耐環(huán)境浸損于一體，可保證電纜在各種惡劣環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。本電纜對內(nèi)、外護(hù)套采取了特殊設(shè)計，提高了復(fù)合護(hù)層的耐扭轉(zhuǎn)強度，內(nèi)護(hù)套材料采用低煙無鹵橡皮混合物，其性能應(yīng)符合EN 50264.1中EI101型護(hù)套料的規(guī)定；外護(hù)套材料采用聚醚型無鹵阻燃熱塑性聚氨酯，該種護(hù)套材料具有抗撕裂強度高、耐候性好、無鹵阻燃性能以及優(yōu)異的抗微生物性能、耐水性能、耐磨性能等。

2.3 光單元與分布式溫度傳感器

光單元主要以62.5纖芯為主的雙芯、四芯、六芯鎧裝光纜，輔加各類與之配套的元器件組成。主要的性能：工作溫度：-40℃～250℃； 允許拉力：600～800N。顯然，光單元中的光纖為二氧化硅材料，脆而易受損傷，所以在不銹鋼套管中采用纖膏。這既可保護(hù)光纖，又能防止水分和潮氣的滲入而產(chǎn)生氫損現(xiàn)象，保證光纖性能長期穩(wěn)定。感溫光纜單元采用聚酰亞胺耐高溫光纖（工作溫度范圍：-50℃～430℃），以適應(yīng)風(fēng)電場電纜能量傳輸?shù)母鞣N工況。

圖5 分布式溫度傳感器

在復(fù)合纜中，光纖采用內(nèi)置技術(shù)。這樣復(fù)合纜投運時，光單元不會受敷設(shè)環(huán)境影響；它有效降低了光纖因人為或意外造成光纖斷裂的風(fēng)險。乙丙橡膠絕緣電纜的導(dǎo)體長期允許工作溫度為90℃，如果電纜運行溫度最高不得超過90℃，說明電纜過負(fù)荷或局部出現(xiàn)故障。通常分布式感溫傳感器的光單元放置在三相絕緣線芯的中心部位或邊緣空隙中，如圖4所示。

如果光單元放在導(dǎo)體中心部位，復(fù)合纜在承受拉力作用時，光單元由于沒有絞合節(jié)距而呈直線狀態(tài)，將率先受力，而一般光單元，只能承受的短暫拉伸力只有2kN左右，這無法滿足風(fēng)電復(fù)合纜在制造和敷設(shè)時的拉應(yīng)力，如圖6（a）所示。如果光單元放在三相絕緣線芯的邊緣空隙中，由于跟絕緣線芯同時絞合成纜，當(dāng)復(fù)合纜中的纜芯受到拉力作用時，光單元和絕緣線芯同時受力，這樣所承受的拉力較小，再加上光單元設(shè)有一定的光纖余長，拉應(yīng)力不會對光纖的傳輸性能構(gòu)成影響，如圖6（b）所示。為避免光單元在與電力電纜的成纜絞合過程中被擠壓，故將光單元復(fù)合在填充物中，該結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效保護(hù)光單元的安全，如圖3所示。

圖6 傳感光單元內(nèi)置位置

2.4 光電復(fù)合纜護(hù)層[9]

風(fēng)電場光電復(fù)合纜必須具備防水、防腐、抗大張力功能。防水性能包括徑向防水和縱向防水兩個方面，縱向阻水功能的實現(xiàn)，阻水機(jī)理是：當(dāng)水分從復(fù)合纜端頭或是從護(hù)套缺陷中進(jìn)入后，含有吸水膨脹粉末的材料就會迅速膨脹，并阻止了水分沿復(fù)合纜縱向進(jìn)一步擴(kuò)散，從而將水分的影響限制在局部的受損處，實現(xiàn)了電纜縱向防水的目的。亦即：復(fù)合纜采用絞合導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并在絞合過程中，填入吸水膨脹的阻水材料。對于絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間存在的間隙，采用在絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間繞包半導(dǎo)電阻水帶的方式實現(xiàn)阻水。同時，通過半導(dǎo)電阻水帶與單面銅塑復(fù)合帶金屬一面的接觸，實現(xiàn)絕緣屏蔽與銅塑復(fù)合帶的等電位。徑向阻水功能的實現(xiàn)，采用了“增強銅塑復(fù)合護(hù)層+特種聚乙烯(PE)護(hù)套”阻水防腐層新技術(shù)。既可實現(xiàn)徑向阻水，又有很好的防海水腐蝕作用，而且這種特殊結(jié)構(gòu)還可增強電纜的綜合力學(xué)性能。

圖7 風(fēng)電復(fù)合纜生產(chǎn)工藝示意圖

光電復(fù)合纜護(hù)外護(hù)套的擠出過程中，有三方面要注意：

（1） 原材料的干燥問題。由于聚氨酯極性較強，具有很強的吸水性，在空氣中極易吸收水分而變潮，擠出時潮氣遇高溫而揮發(fā)，導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)毛孔、氣泡及外徑粗細(xì)不均等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響護(hù)套的力學(xué)性能，所以聚氨酯應(yīng)避免長期暴露在空氣中，在擠出前應(yīng)進(jìn)行烘干處理。干燥溫度宜控制在90℃～110℃，干燥時間應(yīng)為75～120min。

（2） 擠出溫度的控制。聚氨酯通常使用長徑比24左右的單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行加工，加工時溫度應(yīng)保持穩(wěn)定。擠出機(jī)進(jìn)料口到機(jī)筒末端溫度從l65℃逐漸升高至l85℃左右，?？谔幍臏囟葢?yīng)比機(jī)筒末端低大約5℃。加工溫度不能過高，否則容易導(dǎo)致材料降解，電纜表面起泡，降低護(hù)套的機(jī)械性能。

（3） 擠出模具的選擇。電纜護(hù)套擠出模具有擠壓式和擠管式，采用擠壓式模具試制時電纜可以達(dá)到很高的圓整度，也容易形成霧面效果，但調(diào)試很麻煩，相比較而言擠管式模具加工更容易。

風(fēng)電場光電復(fù)合纜關(guān)鍵的生產(chǎn)工序為：導(dǎo)體絞合、內(nèi)外屏蔽和絕緣三層共擠、聚氨酯外護(hù)套擠出三大工序，如圖7所示。

3 在線檢測技術(shù)在風(fēng)電場復(fù)合光電纜中的實現(xiàn)

電纜分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)一般是沿電纜表皮或護(hù)套內(nèi)敷設(shè)實時測量空間溫度場的光纜，用于電纜及周圍設(shè)備環(huán)境溫度監(jiān)測，提供連續(xù)測量電纜測量位置的溫度信息。根據(jù)測溫度值、電纜的散熱系數(shù)和周圍的敷設(shè)環(huán)境等條件，通過建立電纜測量位置溫度與電纜線芯溫度或載流量之間的對應(yīng)關(guān)系，可以推算出電纜線芯溫度，實現(xiàn)電纜載流量實時評估功能；可以起到電纜運行狀態(tài)監(jiān)測，規(guī)避運行管理的風(fēng)險作用。

光纖傳感器一般分為兩大類，一類是利用光纖本身的某些敏感特性或功能制成的傳感器稱為功能型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面或中間加裝其他敏感元件才能構(gòu)成傳感器，稱為傳光型傳感器。傳光型傳感器要求能傳輸?shù)墓庠蕉嘣胶?，所以它主要用多模光纖構(gòu)成；而功能型傳感器需要靠被測對象調(diào)制或改變光纖的傳輸特性，所以一般多用單模光導(dǎo)纖維構(gòu)成。

3.1 分布式光纖溫度傳感技術(shù)

圖8 分布式光纖溫度傳感實驗

拉曼分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)是近十多年隨著光電技術(shù)發(fā)展起來的一種測量空間溫度場的高新技術(shù)，它是集激光、紅外、光纖、波分復(fù)用、光譜和弱信號檢測技術(shù)的光機(jī)電和計算機(jī)一體化綜合技術(shù)。拉曼分布式光纖溫度傳感器已成為光纖傳感和檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢，在系統(tǒng)中光纖既是傳輸媒體又是傳感媒體，光纖所處空間備點的溫度場通過拉曼效應(yīng)調(diào)制了光纖中的反斯托克斯拉曼光子通量，用解調(diào)器解調(diào)后得到待測空間各點的溫度信息，它是一種典型的光纖通訊系統(tǒng)：利用光纖光時域反射(optical time domain re fl ection OTDR)原理[4]，由光纖中光的傳播速度和光回波的時間間隔，對所測溫度點定位，它是一種典型的光纖溫度雷達(dá)。

圖9 拉曼(Raman)散射效應(yīng)

光纖測溫的原理是依據(jù)后向拉曼(Raman)[3]散射效應(yīng)，激光脈沖與光纖分子相互作用發(fā)生散射。散射有多種，其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，產(chǎn)生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯(Anti.Stokes)光。反斯托克斯光信號的強度與溫度有關(guān)，斯托克斯光信號與溫度無關(guān)。從光波導(dǎo)內(nèi)任何一點的反斯托克斯光信號和斯托克斯光信號強度的比例中，可以得到該點的溫度[3]。

式（1）中：h為普朗克常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；IS為斯托克斯光強度；Ias為反斯托克斯光強度；f0為伴隨光的頻率；△f為拉曼光頻率增量。

關(guān)于拉曼散射效應(yīng)，可參見圖10所示；電纜載流量與溫度的關(guān)系，參見圖9電纜分布光纖溫度傳感器試驗。顯然，為了消除干擾與系統(tǒng)損耗的影響，需要對對象進(jìn)行多次測量，然后進(jìn)行加權(quán)平均處理，以便更真實地反映所測溫度場的溫度判據(jù)曲線。再通過軟件編程，仿真出電力電纜溫度過熱點，在取得電纜表面溫度和周圍環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后，將電纜的負(fù)荷電流按照劃分的區(qū)域描成一組相關(guān)曲線，并從電流值推算出芯線導(dǎo)體的溫度系數(shù)，以便求出線芯溫度與運行負(fù)荷電流的邏輯關(guān)系，并以此來支持電纜的安全運行監(jiān)控。

3.2 分布式電纜測溫及在線故障檢測系統(tǒng)

本系統(tǒng)光路設(shè)計采用（Raman）拉曼分布式光纖溫度傳感器作為基本結(jié)構(gòu)，Raman分布式光纖溫度傳感器已成為光纖傳感和檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。由于它具有諸多獨特的性能，因此，分布式光纖溫度傳感器已成為現(xiàn)代工業(yè)過程控制中的一種新的檢測裝置。圖11為光纖分布式溫度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)主要起到運行中的電力電纜導(dǎo)體溫度的實時監(jiān)測，及線芯溫度與載流量的模擬計算的判據(jù)作用。

對電纜溫度異常點的空間定位是通過光纖光時域反射技術(shù)(0TDR)實現(xiàn)的，當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時，在時域里，入射光經(jīng)過背向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L。則有：2L=V?t …………(2)；V=C/n…………(3)。

上式中：V為光在光纖中的傳輸速度；C為真空中的光速；n為光纖折射率。

圖10 光纖分布式溫度傳感系統(tǒng)示意圖

利用光時域反射技術(shù)可以確定沿光纖溫度場中每個溫度采集點的距離及異常溫度點、光纖斷裂點的距離定位信息。分布式光纖測溫系統(tǒng)的主體是測溫光纜，它不僅是溫度傳感器，也是傳輸溫度數(shù)據(jù)的媒介；此外，它還有電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)、分布式光纖測溫主機(jī)(Distributed Temperature Sensing，簡稱DTS)、光路切換開關(guān)、報警信息發(fā)生器等組成部分。在線檢測裝置硬件主要有光路模塊和電路模塊兩大類：

光路模塊是系統(tǒng)核心，主要包括大功率半導(dǎo)體激光器模塊、分光器件、探測器等組成。半導(dǎo)體激光器模塊發(fā)出的大功率脈沖激光經(jīng)分光器件后進(jìn)入傳感光纜，激光在光纜傳輸過程中因分子熱振動而發(fā)生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光經(jīng)分光光路分離出反斯托克斯光和斯托克斯光，并由探測器接收，經(jīng)放大電路后由高速數(shù)據(jù)采集電路同步采集，信號處理單元實現(xiàn)溫度信號計算及火災(zāi)報警判斷。

電路模塊主要由控制及信息處理電路、驅(qū)動電路、探測電路、高速采集電路、接口電路等組成?？刂萍靶畔⑻幚黼娐穼崿F(xiàn)對整個電路模塊及光電器件的控制和協(xié)調(diào)，并對采集信號進(jìn)行溫度計算，可實現(xiàn)定溫、差溫火災(zāi)報警判斷。驅(qū)動電路實現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)出高功率、窄脈寬激光脈沖。探測電路實現(xiàn)微弱背向散射信號的放大、調(diào)理。高速采集電路實現(xiàn)高速信號采集與硬件累加功能。接口電路實現(xiàn)測溫主機(jī)和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖11所示。

根據(jù)經(jīng)驗：計算區(qū)間越短，計算結(jié)果誤差越小。本電纜故障在線檢測裝置的故障定位法，采用特殊的算法。將故障計算的起始點和終結(jié)點盡可能地向故障點不斷靠近，縮短故障的計算區(qū)間，以減小判定誤差。

4 結(jié)語

圖11 分布式光纖溫度傳感器電纜故障在線檢測裝置

上世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國家就有人利用“光電復(fù)合纜”來進(jìn)行電纜故障測距，即：采用光纖溫度分布傳感器，將光纖復(fù)合到電纜中，做成光纖復(fù)合電纜；而光纖溫度分布傳感器完全不受電磁感應(yīng)的影響，激光束注入光纖后，用分光儀將拉曼(Raman)后向散射光線分離出來，該光線的強度隨溫度變化。通過測量光強，經(jīng)過公式轉(zhuǎn)換后可以讀出溫度值。而故障距離可以通過激光脈沖的注入時間與反射光線的到達(dá)時間差來計算，激光在此類光纖中的傳播速度為0.2lm/ns。顯然，該方法對故障的定位準(zhǔn)確，定位時間少，而且對電纜的損傷小于其它行波法。但當(dāng)時，制造復(fù)合光纖電纜造價高，保護(hù)光纖不受損傷比保護(hù)電纜本身難度更大，該技術(shù)的使用受到了抑制，故目前還沒有能夠滿足工程要求的產(chǎn)品出現(xiàn)。隨著耐高溫光纖技術(shù)的發(fā)展，使得利用光纖嵌入技術(shù)進(jìn)行電纜故障在線監(jiān)測成為可能。

本項目為安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目，其研究技術(shù)的創(chuàng)新點為：（1）電纜導(dǎo)體采用特種合成纖維束作為加強芯，主要作為光電纜承力編織層或內(nèi)部的承力構(gòu)件，在光電纜內(nèi)部它與導(dǎo)體和光纖是分離的。（2）采用聚酰亞胺耐高溫光纖作為拉曼分布式光纖溫度傳感器，使XLPE光纖復(fù)合纜工藝上易于實現(xiàn)，目前，該裝置只能測出一根過負(fù)荷的電纜，或大致指出在10米范圍內(nèi)的故障點，而不能精確到某個點或比較小的范圍，還有待進(jìn)一步研究。（3）以上問題還需要大量實際測試數(shù)據(jù)資料的積累，以確定分布式電纜測溫及在線故障檢測系統(tǒng)監(jiān)測報警閾值；同時，還需對拉曼分布式光纖溫度傳感器探測到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行重構(gòu)、特征提取、模式識別，使傳感器能夠感應(yīng)到2m以內(nèi)的實用范圍。

近年來，風(fēng)電場發(fā)展很快，對復(fù)合海纜的安全防護(hù)問題就凸顯出來。每年報道的地埋復(fù)合電纜被盜、海底復(fù)合纜被船錨鉤斷或損壞等事件屢見不鮮，嚴(yán)重影響正常電力供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)濟(jì)損失上億元，因此亟需對已敷設(shè)復(fù)合電纜進(jìn)行全程安全防護(hù)的系統(tǒng)。

[1]R.F.Stevens and T.W.String fi eld:A transmission line fault locator using faultgenerated surges,AIEE Trans., Part II,1948,(67):1168-1179.

[2]M．Chamia S．Libberman：Ultra High Speed Relay for EHV/UHV Transmission Lines —Development,Design and Application,IEEE PAS Vol．97,No．6,Nov/Dec．1978．2104-2116.

[3]劉天夫,張步新,等.光纖向后拉曼散射的溫度特性及其應(yīng)用[J].中國激光,1995,(9):695-699.

[4]張在宣,王劍鋒,等.Raman散射型分布式光纖溫度測量方法的研究[J].光電子 · 激光，2001,(6):597-600.

[6]洪濱,王大文,林春泉.基于行波的電力電纜故障探測技術(shù)[J].電線電纜,2011,(3):38-46.

[7]孫崢,等.利用光纖拉曼散射溫度傳感系統(tǒng)的電力電纜溫度在線監(jiān)[J].光纖應(yīng)用技術(shù),2009,(2):33-37.

[8]王科好,等.新型海岸灘涂風(fēng)電場光電復(fù)合電力電纜的研制[J].電線電纜,2010,(2):19-22.