淺談分布式光纖測溫技術在電力電纜運行狀態(tài)監(jiān)測中的應用

國網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司 趙錦輝 張 成 吳佩霖

隨著電力設備的不斷完善和配電網(wǎng)建設規(guī)模的持續(xù)拓展，電力系統(tǒng)也逐漸朝著超高壓、大電網(wǎng)、大容量以及智能化等方向發(fā)展，但與此同時，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的監(jiān)測范圍狹窄、監(jiān)測流程繁瑣等問題也在不斷凸顯，常出現(xiàn)因部分區(qū)域電力故障而導致整個供電系統(tǒng)癱瘓的情況，不僅增加了電力企業(yè)實際運用成本，還大大降低了用電客戶的用電體驗，嚴重限制了電力企業(yè)服務能力和盈利能力的提升。而分布式光纖測溫系統(tǒng)的出現(xiàn)，使系統(tǒng)具備了多點在線分布式測量功能，可對電力電纜的運行狀況進行實時監(jiān)測，有效降低了電纜在運行過程中發(fā)生燃燒、爆炸以及火災等安全事故的風險。

此外，傳感器在開展電纜運行數(shù)據(jù)的采集工作時，會受到高電壓、大電流以及強磁場等因素的影響，使得很難通過傳統(tǒng)監(jiān)測技術獲取全面準確的數(shù)據(jù)信息。而分布式光纖測溫技術具有抗電磁干擾、高腐蝕、耐腐蝕以及靈敏度高等優(yōu)勢，可減少外界因素對數(shù)據(jù)采集結果的影響。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)的工作原理

1.1 拉曼散射在分布式光纖測溫系統(tǒng)（ROTDR）中的應用

ROTDR 分布式光纖測溫系統(tǒng)主要依賴于先進的光時域反射儀（OTDR）和拉曼散射（Raman）得以實現(xiàn)，拉曼散射光對溫度有著極強的敏感性，可精準地測量光纖內(nèi)不同位置的溫度情況，是實現(xiàn)分布式測量溫度的關鍵所在[1]。

此外，光在發(fā)生散射的過程中會消耗一定數(shù)量的能量，因此當主處理機利用激光光源將光脈沖注入光纖后，就會產(chǎn)生與之相對應的能量損耗，僅有一小部分光纖能傳遞到光纖末端，而傳輸至末端的光脈沖又會沿著光纖反射回發(fā)射端，在通過過濾方式處理向后散射光，就可識別出反射過程中存在的拉曼散射光和非拉曼散射光。再加上溫度會在一定程度上限制拉曼散射光的產(chǎn)生，所以在對分布式光纖測溫系統(tǒng)進行設計前，還需要運用DSP 方法消除拉曼散射光中的不確定因素，以便于可將監(jiān)測到的溫度信息轉化為光纖溫度分布圖。如此就能實現(xiàn)利用OTDR 技術使分布式光纖測溫系統(tǒng)具備顯示故障地理位置的功能，并利用拉曼散射光計算電纜溫度。

1.1.1 分布式光纖測溫系統(tǒng)的定位原理

當向光纖發(fā)射光速略低于真空光速的脈沖時，脈沖就會自動在光纖內(nèi)傳播，并不間斷地向光纖周圍發(fā)射大量的散射光，而在此過程中會有一小部分光源反射至脈沖射入端，此時便可測量出入射光與反射光間的時間差，并將其記錄為T/2，若將入射端與散射光發(fā)射位置之間的距離設定為L，則可將分布式光纖測溫系統(tǒng)的定位公式表示為：L=VT/2，式中V 為光在真空中速度與光纖折射率之間的比值。

1.1.2 分布式光纖測溫系統(tǒng)溫度計算功能的實現(xiàn)

拉曼散射光指的是在光源入射端發(fā)生的一種光反射現(xiàn)象，此類光在傳播時會進一步出現(xiàn)分裂，形成斯托克斯光與反斯托克斯光，其中反斯托克斯光的強度會會根據(jù)溫度的升降而改變，而斯托克斯光的強度則處于一個相對穩(wěn)定的范圍，不會受到所處溫度變化的影響，反斯托克斯光、溫度以及斯托克斯光三者間的聯(lián)系可表示為：αThcv/k=Las/Ls。

式中：Ls為斯托克斯光的強度、Las為反斯托克斯光的信號強度、T 為系統(tǒng)監(jiān)測的溫度值、α 為溫度系數(shù)、k 為表鮑爾次曼常數(shù)、v 為拉曼平移量、c為表光在真空中環(huán)境下的傳播速度。待計算出斯托克斯光強度與反斯托克斯光強之間的比值后，就能準確地測量出待測點的溫度，其計算公式可進一步表示為：T=hcv/k[lna-ln(Las/Ls)]。

由于隨著溫度的升高，反斯托克斯光強度也會增加，所以可通過兩者間的關系收集TTS 信號。此外，可通過將光纖劃分為N 多個長度為1m 區(qū)域的方式，將溫度讀數(shù)的范圍精確到1m 范圍內(nèi)。同時還可根據(jù)實際情況設置每一個區(qū)域的溫度，當監(jiān)測范圍內(nèi)某區(qū)域的溫度過高或超出系統(tǒng)預先設定的安全值時，分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)就會作出預警提示，能根據(jù)提示信息預判電纜故障點的具體地理位置。

1.2 布里淵散射在分布式光纖測溫系統(tǒng)（BOT-DR）中的應用

布里淵散射指的是光波在攝入介質后會進一步出現(xiàn)彈射聲波，從而引起光散射的物理現(xiàn)象。因為負責傳播光的介質內(nèi)部本身就處于一種運動狀態(tài)，其折射率會隨著介質的運動而發(fā)生變化，因此，光在介質中傳播時會形成一定數(shù)量的聲波場，迫使光在介質內(nèi)部發(fā)生布里淵散射現(xiàn)象。在參考相關研究資料和反復論證后，得出入射光在光纖介質中出現(xiàn)的布里淵散射現(xiàn)象多是下移的斯托克斯波，主要反應了自發(fā)聲波、抽運波參數(shù)參數(shù)以及斯托克斯波三者間的關系。

另一方面，隨著電纜應力的變化和光纖溫度的改變，光纖的折射率也會受到影響，繼而改變布里淵頻移量和布里淵頻率，可將上述變量之間的關系表示為：VBs=VB0+CT(T-T0)+Cε(ε-εc)。根據(jù)該公式，只需測量光纖內(nèi)布里淵散射光與自然界布里淵散射光相差的頻率漂移量，就可準確地計算出光纖應變和溫度分布情況。

1.3 BOTDR 策略原理

文章所介紹的光纖測溫系統(tǒng)，可智能監(jiān)測和識別光纖介質中反射的布里淵散射光，并以此為依據(jù)測量出電纜系統(tǒng)中某一區(qū)域的溫度變化情況。其操作流程與傳統(tǒng)的OTDR 相似：首先，在光纖介質的攝入段注入一定頻率的光脈沖，讓光纖介質內(nèi)部聲學聲子與脈沖光相互作用，產(chǎn)生布里淵散射現(xiàn)象；其次，由處理單元監(jiān)測、收集及分析進入光纖分布式測溫系統(tǒng)的光信號，計算溫度異常位置。此時就可根據(jù)散射光信號確定光纖周圍布里淵北向散射光的功率狀況，利用計算公式進一步明確布里淵散射光位置與射入端的距離。

另外還可通過設置時間間隔的方式調(diào)整攝入光的頻率，使用上述方法多次測量后獲取光纖上每一個數(shù)據(jù)采集點的布里淵散光的頻率，以便于可及時確定故障點位置。正常情況下，布里淵背散光不以洛倫茲的形式呈現(xiàn)，其峰值功率所對應的頻率就是布里淵頻移VB。但當光纖受到軸向拉伸時，光纖的布里淵頻移就會發(fā)生變化，此時只需比較頻移變化率與光纖應變、溫度間的關系，就能得到所需的應變和溫度量。

1.4 受激布里淵散射測試原理

自發(fā)散射過程指的是有熱激勵和量子機制等引起的光散射介質發(fā)生擾動身為過程，通常為介電常數(shù)；而受激散射則是指因光散射介質擾動引起的非線性效應，其與自發(fā)散射過程相比，具有散射光源信號強、易于觀察等優(yōu)勢，將其應用于分布式光纖智能監(jiān)測系統(tǒng)中，可有效增強監(jiān)測系統(tǒng)的精準度。同時，還需運用光時域反射（OTDR）技術測量與監(jiān)控光纖傳輸路徑的分布情況和變化信息，以確定光纖傳輸路徑和傳輸狀況與時間間的關系，最終形成布里淵光時域分析儀（BOTDA）。若出現(xiàn)有兩臺激光器頻率與布里淵散射頻率相同的情況，激光在光纖中傳播時就能加強光線中的聲波，便于鎖定和監(jiān)測布里淵信號。

2 運用分布式光纖測溫技術監(jiān)測電力電纜運行狀況的策略

2.1 明確高壓電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的功能

在構建高壓電纜分布式光纖測溫系統(tǒng)時，需確保其具備以下功能：可實時在線監(jiān)測電纜的溫度，準確鎖定運行電纜中的異常發(fā)熱源，并確定該位置的溫度狀態(tài)的功能；可將電纜表面的溫度轉化為電纜運行的載流量，使用戶可直觀、準確地計算出電纜的最大載流量，提升電纜運行的效益性、安全性以及穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)增加電纜使用壽命和輸電能力的管理目的。

隨著分布式光纖溫度監(jiān)測技術的不斷成熟和檢測設備的不斷革新，我國約有60%的高壓電纜都安裝了分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，但大多是以拉曼散射原理構建的，存在著響應能力慢、無法監(jiān)測電纜應變情況等缺陷。而布里淵分布式光纖傳感系統(tǒng)的出現(xiàn)則有效解決了上述問題，且具有較強的拓展能力，現(xiàn)已逐步取代以拉曼散射為基礎構建的分布式光纖測溫系統(tǒng)。

2.2 劃分高壓電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的層級

在構建高壓電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)前，需嚴格按照61850規(guī)約將系統(tǒng)依次劃分為過程層、間隔層以及站控層。其中過程層的設備可安裝于被測電纜表面或內(nèi)置于電纜內(nèi)部，以確保傳感光纖可準確獲取電纜溫度，同時將溫度信息發(fā)送至測溫主機進行處理。間隔層主要用于放置分布式光纖測溫系統(tǒng)的主機，主要負責將監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)傳輸只監(jiān)控服務器，以便于服務器存儲、處理及管理數(shù)據(jù)資料。站控層則是安裝運行監(jiān)控中心的主要位置，是一切在線服務數(shù)據(jù)的存儲空間，使管理人員能夠隨時隨地的查看和運用分析報告。

2.3 安裝傳感光纖的正確方法

當前較為常用的傳感光纖安裝形式有表貼式和內(nèi)置式兩種，其中表貼式光纖的優(yōu)點在于安裝成本低廉、安裝流程簡單，不需破壞原有的電纜結構，經(jīng)常被用于老電纜線路的改良中，但此類安裝方式無法準確反映電纜負載的變化情況。內(nèi)置式傳感光纖則可精準、及時的響應電纜負載的變化，監(jiān)測結果更加接近電纜真實溫度，但需在生產(chǎn)電纜的同時就安裝傳感光纖，因此多被運用于新電纜的架設中。在實際使用時需根據(jù)工程項目的實際情況，合理選擇傳感光纖的安裝方法。

綜上，電力電纜作為電力能源的傳輸載體，其運行情況直接決定著配電網(wǎng)絡的安全性和穩(wěn)定性，只有全面有效地監(jiān)測電力電纜的運行狀態(tài)，才能保障整個供電系統(tǒng)的正常運行。而分布式光纖測溫系統(tǒng)的運用，有效實現(xiàn)了全面、實時監(jiān)測電纜溫度變化情況和精準定位故障點位置的管理目標，是目前增強電力電纜運行質量和運行效率的最有效手段，值得在今后的工作中不斷推廣和使用。