基于分布式光纖測溫的電力電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)

李雙厚+李慶延+張國慶

摘 要：隨著地下電纜在供電系統(tǒng)中應(yīng)用和逐漸推廣，實(shí)現(xiàn)地下電纜的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)確保供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等意義重大。在電纜輸電過程中電纜溫度變化對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)影響很大，因此提出了基于分布式光纖測溫的電力電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，本文著重介紹了該系統(tǒng)的工作原理及軟硬件組成。

關(guān)鍵詞：地下電纜；分布式光纖測溫系統(tǒng)；拉曼散射；光時(shí)域反射

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.141

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)不斷發(fā)展，城市中電纜逐漸由架空鋪設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵落佋O(shè)，地下電纜規(guī)?？焖贁U(kuò)展，伴隨著地下電纜的安全性以及可靠性等問題日益明顯，因此亟待一種有效的電纜安全監(jiān)測方法。研究表明，電纜溫度與電纜運(yùn)行狀態(tài)間存在著密切的關(guān)系，當(dāng)電纜運(yùn)行負(fù)荷變化時(shí)，則電纜溫度也會(huì)隨之發(fā)生相同趨勢的變化[1]。如果電纜在運(yùn)行過程中某處溫度迅速升高，則說明運(yùn)行負(fù)荷過大或電纜此處存在問題；當(dāng)電纜長時(shí)間處于允許的極限溫度時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致電纜老化，發(fā)生故障。反之為了避免電纜溫度過高，采取使電纜長時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行，則使電纜不能被充分利用。為了保證電纜在運(yùn)行過程中既可安全運(yùn)行，又可充分利用，所以需要對(duì)電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，便于及時(shí)掌握和預(yù)測電纜的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

在實(shí)際工程中，電纜線芯溫度是很難被直接測量，因此只能通過間接的方法來獲取線芯溫度，分布式光纖測溫系統(tǒng)是將測溫光纖與電纜緊密貼合，對(duì)電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，通過測溫光纖測量電纜表皮溫度，進(jìn)而推算線芯溫度。測溫光纖具有能連續(xù)獲取電纜整條線路上溫度信息的優(yōu)勢，同時(shí)具有抗電磁干擾性強(qiáng)、維護(hù)成本低、對(duì)溫度變化敏感等優(yōu)點(diǎn)。因此近年來分布式光纖測溫技術(shù)逐漸被應(yīng)用到地下電纜的溫度監(jiān)測。

1 分布式光纖測溫原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)是利用光纖的拉曼散射溫度效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電纜溫度的測量，溫度點(diǎn)定位通過光纖的光時(shí)域反射原理來實(shí)現(xiàn)。

1.1 拉曼散射溫度效應(yīng)

當(dāng)激光發(fā)射器產(chǎn)生的光在光纖中傳輸時(shí)，光脈沖與光纖中的分子相互作用而發(fā)生散射，發(fā)生的散射光包含多種類型。其中拉曼散射是由于光纖中分子的熱振動(dòng)與光脈沖相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，因此拉曼散射光的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，對(duì)溫度變化敏感，利用拉曼散射中的斯托克斯光和反斯托克斯光可以推算出光纖所處外部溫度。當(dāng)測溫光纖所處外部環(huán)境溫度為時(shí)，在測溫光纖處的斯托克斯散射光功率為，反斯托克斯散射光功率可表示為，將和進(jìn)行作比，可得到關(guān)于溫度的函數(shù)，進(jìn)一步推導(dǎo)計(jì)算即可得出光纖上距離為處的溫度值。

式中，為普朗克常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)。由公式（1）可知，反斯托克斯散射光被斯托克斯散射光解調(diào)，可推導(dǎo)出光纖上距離為處的溫度的函數(shù)，通過該函數(shù)即可計(jì)算出光纖沿線的溫度值。

1.2 光時(shí)域反射原理

光在光纖中傳輸，光纖中各點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生后向散射光，公式（2）是光纖中散射點(diǎn)位置與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。其原理示意圖如圖1所示。

式中，是真空中光的傳輸速度，是光進(jìn)入光纖時(shí)開始計(jì)時(shí)，到接受到返回的散射光的時(shí)間。實(shí)際中光在玻璃中的傳輸速度比真空中慢，為光纖的折射率，由生產(chǎn)廠商具體標(biāo)明。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)組成

基于分布式光纖測溫的電力電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由如下三部分組成。

（1）測溫主機(jī)。測溫主機(jī)是安裝于監(jiān)控室內(nèi)，主要是由激光發(fā)射器、濾波器、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集及處理單元等構(gòu)成，其主要功能為實(shí)時(shí)采集、處理并傳輸電纜運(yùn)行溫度信息。

（2）測溫光纖。測溫光纖安裝于所要監(jiān)測的電纜的表面，依據(jù)光纖傳感技術(shù)用于探測電纜表皮溫度信息。

（3）后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)。后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)內(nèi)置組態(tài)軟件，利用網(wǎng)絡(luò)與測溫主機(jī)通信，獲取電纜表皮溫度信息，通過表皮溫度進(jìn)行線芯溫度和載流量的計(jì)算；利用OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件與數(shù)值分析軟件MATLAB之間通信[3]，實(shí)現(xiàn)電纜溫度預(yù)測。后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)主要功能有：①實(shí)時(shí)顯示溫度并預(yù)測溫度變化趨勢；②電纜溫度圖像化顯示；③實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜溫度，超溫預(yù)警、報(bào)警；④實(shí)現(xiàn)電纜載流量計(jì)算；⑤電纜運(yùn)行溫度、載流量等運(yùn)行信息的存儲(chǔ)、記錄。

3 結(jié)論

基于分布式光纖測溫的電纜測溫系統(tǒng)應(yīng)用于地下電纜測溫具有明顯的優(yōu)勢，可以精確地、實(shí)時(shí)地對(duì)地下電纜進(jìn)行溫度監(jiān)測，能準(zhǔn)確地定位觀察沿線電纜的運(yùn)行情況，當(dāng)電纜出現(xiàn)溫度異常時(shí)，可以及時(shí)定位到異常溫度點(diǎn)，避免電力事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷秋，曹鐘中，靳濤.電力電纜火災(zāi)監(jiān)測及防火預(yù)警系統(tǒng)的研制[J].華北電力技術(shù)，2001，1（02）：23-24.

[2]張振鵬，趙健康，饒文彬等.電纜分布式光纖測溫系統(tǒng)測量結(jié)果符合性的比對(duì)試驗(yàn)[J].高電壓技術(shù)，2012，38（06）：1362-1367.

[3]劉國建.埋地電力電纜發(fā)熱機(jī)理與溫升監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].上海電力學(xué)院，2016.endprint