地下电缆表面温度监测系统的分析

赵生传 陈志勇 时 翔 王华广

（1.青岛供电公司，山东 青岛 266002；2.山东电力集团公司，济南 250001）

作为电力系统中承担电能传输不可或缺的重要组成部分，地下电缆具有对环境的影响小，供电安全可靠的优点，但由于其长埋地下也容易受各种因素影响造成温度升高而发生火灾[1]。因此，有必要对地下电缆的温度进行监测。由于电缆局部接头过热和过负荷是导致电缆沟发生火灾的直接原因，因此必须采用一种能够连续监测电缆表面温度的测温系统才能避免火灾事故的发生。分布式光纤温度监测系统作为当前广泛应用的温度监测系统，具有防爆、防腐蚀和抗强电磁干扰等优点，同时能够对电缆的温度趋势进行清晰的显示，并可实现长期的实时监测，同时可将监测数据自动存于电脑中，为实现温度变化的差动监测奠定了基础[2]。本文对基于分布式光纤的地下电缆表面温度监测系统进行了分析和设计。

1 分布式光纤传感器的原理

光导纤维作为20世纪一项伟大的技术，自1970年美国成功研制出第一根衰减常数小于20dB/km的光纤来，光纤通信技术得到了迅猛的发展[3]。光纤本身即可构成进行信息交换的物理基础，而无需将待测物理量与其内的传导光相联系，这样虽然由于光在其中传播时特性已经被调制，但通过检测调制光的特性仍能感知外界的信息，这就是光纤传感器的测量原理。通常将光纤传感器分为两类[4]：一类是非功能传感器，另一类是功能型传感器。在非功能型光纤传感器中光纤只是作为光传播的介质，而通过其他器件来感知外界信息；功能型传感器同时将光纤作为测量元件和传感元件，将检测和传感的功能合为一体，光纤不仅仅起到了传输光的作用，而且还利用光纤的特性来实现感知的功能，在电缆温度检测中所使用的分布式光纤传感器（FODT sensor）通常是功能型传感器，其工作原理是随着电缆温度的变化其背向散光的强度也会变化，结构如图1所示。

图1 分布式光纤传感器原理图

背向散射光通常由斯托克斯散入射光和斯托克斯发射光组成，虽然这两种光的波长不同，但可将光强的比例转化为温度的读数，温度关系的表达式为

其中，Is为斯托克入射光强度；Ias为斯托克反射光强度，h为普朗克系数，c为真空中光的速度，k为波尔曼常数，vΔ为波数，T为绝对温度。

根据光开始注入到反射光返回所需的时间可计算电缆的长度，光在光纤中的传播速度是0.2nm/s，因此光注入到反射光返回的时间每10ns都可转换为1m的光纤长度，称为光纤时域反射仪（FODT）。使用FODT传感器测量电缆的纵向温度时通过单根光纤可同时测量多点温度，由于光纤的非金属特性，因此其与电缆即使构成一体也不会受电磁感应的干扰，稳定性极高。

2 光纤温度传感系统的温度信号的解调方法

在对地下电缆表面温度监测的实际应用中通常是利用斯托克斯反射光，FODT传感器便是利用了斯托克斯反射光作为空载波，在光纤传输的过程中由于其受到了被测对象表面温度的调制因此由空载波转换为了调制波，这样就携带了被测对象的具体信息。FODT传感器温度信号解调方法主要有单通道温度信号解调方法和双通道温度信号解调方法两种，本文提出了改进的双通道温度信号解调方法。该方法是根据斯托克斯反射光作为参考通道的，不断消除了环境的干扰，而且不受接头损耗和光源漂移的影响。完成反射光的测量后根据其比值来推断相应的温度信息及对应的位置，再绘制出沿整条光纤的温度分布。具体过程如下：首先，得到整条光纤在T=T0时的斯托克斯入射光和反射光，即

本文所提出的改进的双通道温度信号解调方法有效地消除了光源不稳定所带来的耦合损耗、光纤传输损耗等带来的影响，具有一定的应用价值。

3 地下电缆表面温度监测系统结构分析与设计

所设计地下电缆表面温度监测系统原理图如图2所示。

图2 系统工作原理图

首先由分布式光纤温度传感器产生很窄的泵浦光源，脉冲能量为0E，脉冲宽度为TΔ，经过光纤放大器EDFA的功率提升后通过光纤分路器FBU耦合长度为10km传感光纤，然后产生了反射光，再经过光纤分路器耦合进行分离和滤波，从而得到了携带温度信号和参考信号的反射光，完成了温度信号的采集工作。从光滤波器分离出来的反射光在进入雪崩二级管APD完成光电转换，再经过前级的放大和信号探测作用，此时所携带的温度信号已经转换为了电平形式，而且电信号十分微弱，因此应通过放大器对此信号进行放大，并在AD9058数模转换器中完成了数模转换。转换完成后的采样信号由CPLD逻辑控制单元提供，将模拟信号转换为了数字信号，并将此信号储存在随机存储器SRAM中，通过单片机的RS232串口将所采集转换后的数据传递至上位PC，上位PC配置了温度显示界面，实时地显示地下电缆表面温度。此外，该上位PC还具有对数字信号进行处理和分析的功能，最终可以得到对应点的温度场信息。这样，在脉冲光发出后即可通过反射信号实现温度的多点采集，获得光纤轴向的温度场分布，实现了分布式温度传感功能。

4 结论

本文基于分布式光纤传感器的原理，设计了地下电缆表面温度监测系统，解决了普通测温系统连续性差的问题，取得了良好的应用效果。该系统不仅可以应用于地下电缆表面温度的监测，而且可以在发电厂、变电站的电缆夹层及大型电缆隧道中进行应用。

[1] 黄贤武,郑筱霞.传感器原理与应用[M].成都: 电子科技大学出版社,1995.

[2] 张在宣,刘天夫,张步新,等.激光拉曼型分布光纤温度传感器系统[J].光学学报,1995,15(11):1585-158.

[3] 欧阳方平,周胜军,康宏向.分布式光纤温度传感器的温度测量与信号处理方法及实现[J].激光杂志,2002,23(6):59-61.

[4] 周胜军,张志鹏.提高分布式光纤温度传感器测量准确性的方法[J].光学仪器,1997,19(6):3-8.

[5] 史晓峰,李铮,蔡志权.分布式光纤测温系统及其测温精度分析[J].测控技术,2002,21(1):9-12.