分布式光纤测温系统在电缆温度监测中应用

肖恺等

摘 要： 针对目前电力电缆安全中突出的火灾探测问题，提出了一种分布式光纤测温系统，该系统采用光时域反射技术和拉曼散射测温技术，由测温主机、测温光缆及CSM主机构成，具有极高的灵敏度和定位精度。通过光缆获得电缆表面的温度，传递到测温主机中进行数据分析，并在CSM主机上显示电缆温度状态与报警。为了证实分布式光纤测温系统的有效性，在国内某隧道对该系统进行了温度测量试验，试验结果证明，系统能准确地反应现场运行电力电缆的实际运行情况，及时发现和定位温度异常点，当电缆表面温度超过系统设置的预报警温度值时，系统会立刻输出报警信号，为电缆故障提供温度预警功能，避免电力事故发生。

关键字： 拉曼散射； OTDR； 电力电缆； 分布式光纤测温系统； 在线监测

中图分类号： TN818?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0153?03

Abstract： In view of the present fire detection problems for power cable safety， a distributed fiber temperature detecting system is proposed in this paper. The optical time domain reflection technology and Raman scattering technique are adopted in the system， which is composed of temperature detection host computer， temperature detection cable and CSM host， and has high sensitivity and positioning accuracy. The surface temperature of power cable is got by the fiber cable， passed to the temperature detecting host computer for data analysis， and displayed the power cable temperature status and alarm on the CSM host. In order to verify the effectiveness of the distributed fiber temperature detecting system， a temperature detecting experiment was carried out in a domestic tunnel. The experimental results proved that the system can accurately response the real?time status of field running power cable， timely find and position the temperature abnormal points； when the cable surface temperature exceeds the preset warning temperature value， the system outputs an alarm signal immediately to avoid the accident of the power line.

Keywords： Raman scattering； OTDR； power cable； distributed fiber temperature detecting system； on?line monitoring

0 序 言

随着我国城市化建设进程的推进，城市地下电缆（特别是XLPE高压电力电缆）[1?2]规模的迅速扩大和电压等级的不断提高，电力运营的安全、可靠性问题日益突出，亟待有效的在线监测手段的出现。研究表明，温度是表征电力电缆运行状态的一个极其重要的参数，当电缆发生故障时，故障点附近的温度会上升；当电缆运行负荷增加或减少时，电缆整体温度值也随之上升或下降，通过在线实时监测电力电缆的温度值可以及时掌握其运行状况，避免重大事故发生[3]。

分布光纤温度测试系统具有可以连续的得到沿着探测光缆几十千米的测量信息，误报和漏报率低，且抗电磁干扰，本征安全，本征防雷、测量距离远，适于远程监控、灵敏度高，测量精度高、寿命长，成本低，系统简单等优点，在最近几年被迅速用于电缆温度监测，有望成为电缆安全监控的首选的基础检测设备[4?6]。

1 分布式光纤测温系统的技术原理

光纤分布式温度传感技术[7?11]是基于光子的拉曼散射温度效应和光纤的光时域反射技术（OTDR）分别实现温度检测和温度点定位。

当激光脉冲在光纤中传输过程中与光纤分子相互作用，会发生散射现象，这是因为光纤的非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀所引起的，其中拉曼散射对温度敏感，瑞利散射对温度不敏感。布里渊散射对温度和应力都敏感，容易受外界环境干扰，影响测量的准确度。拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，包括斯托克斯光（Stokes光）与反斯托克斯光（Anti?Stokes光）。其中Stokes光强度与温度有一定的关系，但受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti?Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti?Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。可通过分析得到二者的强度之比，就可以获得对应光纤中某点的温度值。此外，因为光纤具有一定的长度，且拉曼散射是产生在光纤中的每一个微观点的，所以如何确定探测到的拉曼散射在光纤中发生的位置就需要甬道光时域反射技术。如图1所示。

光时域反射技术（OTDR）最初用于评价光学通信系统中光纤、光连接器等的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的有效手段，同时也是分布式光纤传感器的基础。光源发射出一系列的激光脉冲进入光纤后，在光纤中产生背向散射。通过获得背向散射光信号与发射光脉冲信号的时间差[⊿t]，并且光信号在光纤中传播的速度vg是常数，因此可以确定此散射光信号产生点距离激光脉冲入射点的距离为[z=vg·⊿t2]。通过这种方法可以在整根连续的光纤上以距离的连续函数形式得到光纤中各点的温度数据。如图2所示。

2 系统组成

分布式光纤测温系统主要包括测温主机、测温光缆及CSM主机组成。

（1） 测温主机。分布式光纤测温系统测温主机由内置激光器、滤波器、高速数据采集与处理单元等组成，可实现电力电缆表面温度信息的采集、处理，并且输出温度报警信息。其安装于监控室内。

（2） 测温光缆。测温光缆既作为温度传感器探测电缆表面的温度信息，又作为通信媒介传输信息。其敷设并固定在电力电缆的表面。

（3） CSM主机。CSM主机通过网络与测温主机连接进行通信。CSM主机内嵌入CSM软件，该软件可实现对报警参数、监测区域划分、通信参数等测温主机参数的设置；采集电缆表面的温度数据并在屏幕中以温度曲线的形式显示；计算电缆导体的温度数据；输出报警信息等。CSM主机是安装于监控室或者中央控制室内的。

3 工程应用

为了证实分布式光纤测温系统的有效性，在国内某隧道对该系统进行了温度测量试验。该系统主要用于监测该区域220 kV变电站的两个隧道（2#、3#隧道）中11个超高压电缆回路33条电缆的温度值，其中2#隧道内5个回路15条电缆总长为1 250 m，3#隧道内6个回路18条电缆总长为1 250 m。

3.1 系统配置

分布式光纤测温系统测温主机：1台；通道1：2#电缆隧道1 250 m；通道2：3#电缆隧道1 250 m；CSM主机：1台；CSM软件：1套；测温光缆：总长度2 500 m。

根据被测电缆信息，采用1台分布式光纤测温系统测温主机实现对2#，3#隧道内11个回路的33条电缆进行在线温度监测，系统结构图如图3所示。分布式光纤测温系统测温主机安装于变电站的监控室内，并与测温光缆相连；测温光缆分别敷设和固定于2#隧道15条电缆表面上，3#隧道18条电缆表面上；CSM主机内置CSM软件，主要采集分布式光纤测温系统的信息，显示电缆表面的温度数据和温度曲线；计算电缆导体温度数据，并显示相关数据和曲线；实现对短期运行负荷的预测；该软件能够组态被测电缆布局；输出多级报警，并通过网络通信协议输出多种类型的报警信号等。

3.2 运行结果

3.2.1 表面温度显示

分布式光纤测温系统已运行，图4为其软件界面图，界面上显示了被测电缆的布局图、电缆走向、电缆名称、电缆表面温度最高值、电缆导体温度最高值、运行电缆的电流值、温度异常报警等信息，通过该界面，用户可以随时掌握电缆运行情况。

通过打开子窗口可以显示详细的电缆温度分布曲线，也可以打开各个回路子窗口，查看各个回路的3条电缆的温度分布曲线，帮助用户随时深入了解运行电缆的温度信息，如图5所示。

3.2.2 电缆导体温度实现

CSM软件内置动态载流量模型，可以根据分布式光纤测温系统测温主机采集的电缆表面温度和运行电缆的电流值计算出电缆导线的温度值，并预测短期电缆运行负荷，为电力调度提供依据，提高资产利用率。图6为电流和电缆表面温度的响应曲线图，其中蓝色曲线表示分布式光纤测温系统测温主机采集的电缆表面温度值，柱状图为电缆的运行电流值，红色曲线表示电缆导体温度值。

3.2.3 温度异常报警输出

当分布式光纤测温系统测温主机测到的电缆表面温度值超过系统设定值，将输出系统报警信号，包括异常温度值和位置信息。从图7的系统报警输出曲线图可知，有一个尖脉冲值54.7 ℃超出了系统的的预报警温度值为48 ℃，系统输出了报警信号。经证实该报警处确实存在电缆故障，目前已修复，挽回了重大经济损失和人员伤亡。

4 结 语

分布式光纤测温系统是电缆体温计，能够有效地、实时地提供电力电缆的分布式温度信息，准确反应现场运行电力电缆实际运行情况，及时发现和定位温度异常点，为电缆故障提供温度预警功能，避免电力事故发生。

参考文献

[1] 林波.超高压XLPE电缆绝缘监测技术的工程化应用[D].上海：上海交通大学，2011.

[2] 张在宣，张步新，陈阳.光纤背向激光自发拉曼散射的温度效应研究[J].光子学报，1996，25（3）：273?278.

[3] 陈军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感技术[J].电力系统及自动化学报，2005，17（3）：47?49.

[4] 刘林红，张在宣，余向东，等.30 km分布式光纤测温传感器的空间分辨率研究[J].仪器仪表学报，2005，26（11）：1195?1210.

[5] 何明科，张佩宗，李永丽.分布式光纤测温技术在电力设备过热监测中的应用[J].电力设备，2007（10）：30?32.

[6] 彭超，赵建康，苗付贵.分布式光纤监测技术在线监测电缆温度[J].高电压技术，2006（8）：43?45.

[7] 郭兆坤，郑晓亮，陆兆辉，等.分布式光纤温度传感技术及其应用[J].中国电子科学研究院学报，2008（5）：543?546.

[8] 刘媛，张勇，雷涛，等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J].山东科学，2008，21（6）：50?54.

[9] 张在宣，王剑锋，刘红林，等.30 km远程分布式光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光，2004，31（5）：613?616.

[10] 崔文华，陈志斌.分布式光纤温度监测与报警系统的研究[J].红外与激光工程，2002，31（2）：175?178.

光时域反射技术（OTDR）最初用于评价光学通信系统中光纤、光连接器等的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的有效手段，同时也是分布式光纤传感器的基础。光源发射出一系列的激光脉冲进入光纤后，在光纤中产生背向散射。通过获得背向散射光信号与发射光脉冲信号的时间差[⊿t]，并且光信号在光纤中传播的速度vg是常数，因此可以确定此散射光信号产生点距离激光脉冲入射点的距离为[z=vg·⊿t2]。通过这种方法可以在整根连续的光纤上以距离的连续函数形式得到光纤中各点的温度数据。如图2所示。

2 系统组成

分布式光纤测温系统主要包括测温主机、测温光缆及CSM主机组成。

（1） 测温主机。分布式光纤测温系统测温主机由内置激光器、滤波器、高速数据采集与处理单元等组成，可实现电力电缆表面温度信息的采集、处理，并且输出温度报警信息。其安装于监控室内。

（2） 测温光缆。测温光缆既作为温度传感器探测电缆表面的温度信息，又作为通信媒介传输信息。其敷设并固定在电力电缆的表面。

（3） CSM主机。CSM主机通过网络与测温主机连接进行通信。CSM主机内嵌入CSM软件，该软件可实现对报警参数、监测区域划分、通信参数等测温主机参数的设置；采集电缆表面的温度数据并在屏幕中以温度曲线的形式显示；计算电缆导体的温度数据；输出报警信息等。CSM主机是安装于监控室或者中央控制室内的。

3 工程应用

为了证实分布式光纤测温系统的有效性，在国内某隧道对该系统进行了温度测量试验。该系统主要用于监测该区域220 kV变电站的两个隧道（2#、3#隧道）中11个超高压电缆回路33条电缆的温度值，其中2#隧道内5个回路15条电缆总长为1 250 m，3#隧道内6个回路18条电缆总长为1 250 m。

3.1 系统配置

分布式光纤测温系统测温主机：1台；通道1：2#电缆隧道1 250 m；通道2：3#电缆隧道1 250 m；CSM主机：1台；CSM软件：1套；测温光缆：总长度2 500 m。

根据被测电缆信息，采用1台分布式光纤测温系统测温主机实现对2#，3#隧道内11个回路的33条电缆进行在线温度监测，系统结构图如图3所示。分布式光纤测温系统测温主机安装于变电站的监控室内，并与测温光缆相连；测温光缆分别敷设和固定于2#隧道15条电缆表面上，3#隧道18条电缆表面上；CSM主机内置CSM软件，主要采集分布式光纤测温系统的信息，显示电缆表面的温度数据和温度曲线；计算电缆导体温度数据，并显示相关数据和曲线；实现对短期运行负荷的预测；该软件能够组态被测电缆布局；输出多级报警，并通过网络通信协议输出多种类型的报警信号等。

3.2 运行结果

3.2.1 表面温度显示

分布式光纤测温系统已运行，图4为其软件界面图，界面上显示了被测电缆的布局图、电缆走向、电缆名称、电缆表面温度最高值、电缆导体温度最高值、运行电缆的电流值、温度异常报警等信息，通过该界面，用户可以随时掌握电缆运行情况。

通过打开子窗口可以显示详细的电缆温度分布曲线，也可以打开各个回路子窗口，查看各个回路的3条电缆的温度分布曲线，帮助用户随时深入了解运行电缆的温度信息，如图5所示。

3.2.2 电缆导体温度实现

CSM软件内置动态载流量模型，可以根据分布式光纤测温系统测温主机采集的电缆表面温度和运行电缆的电流值计算出电缆导线的温度值，并预测短期电缆运行负荷，为电力调度提供依据，提高资产利用率。图6为电流和电缆表面温度的响应曲线图，其中蓝色曲线表示分布式光纤测温系统测温主机采集的电缆表面温度值，柱状图为电缆的运行电流值，红色曲线表示电缆导体温度值。

3.2.3 温度异常报警输出

当分布式光纤测温系统测温主机测到的电缆表面温度值超过系统设定值，将输出系统报警信号，包括异常温度值和位置信息。从图7的系统报警输出曲线图可知，有一个尖脉冲值54.7 ℃超出了系统的的预报警温度值为48 ℃，系统输出了报警信号。经证实该报警处确实存在电缆故障，目前已修复，挽回了重大经济损失和人员伤亡。

4 结 语

分布式光纤测温系统是电缆体温计，能够有效地、实时地提供电力电缆的分布式温度信息，准确反应现场运行电力电缆实际运行情况，及时发现和定位温度异常点，为电缆故障提供温度预警功能，避免电力事故发生。

参考文献

[1] 林波.超高压XLPE电缆绝缘监测技术的工程化应用[D].上海：上海交通大学，2011.

[2] 张在宣，张步新，陈阳.光纤背向激光自发拉曼散射的温度效应研究[J].光子学报，1996，25（3）：273?278.

[3] 陈军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感技术[J].电力系统及自动化学报，2005，17（3）：47?49.

[4] 刘林红，张在宣，余向东，等.30 km分布式光纤测温传感器的空间分辨率研究[J].仪器仪表学报，2005，26（11）：1195?1210.

[5] 何明科，张佩宗，李永丽.分布式光纤测温技术在电力设备过热监测中的应用[J].电力设备，2007（10）：30?32.

[6] 彭超，赵建康，苗付贵.分布式光纤监测技术在线监测电缆温度[J].高电压技术，2006（8）：43?45.

[7] 郭兆坤，郑晓亮，陆兆辉，等.分布式光纤温度传感技术及其应用[J].中国电子科学研究院学报，2008（5）：543?546.

[8] 刘媛，张勇，雷涛，等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J].山东科学，2008，21（6）：50?54.

[9] 张在宣，王剑锋，刘红林，等.30 km远程分布式光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光，2004，31（5）：613?616.

[10] 崔文华，陈志斌.分布式光纤温度监测与报警系统的研究[J].红外与激光工程，2002，31（2）：175?178.

光时域反射技术（OTDR）最初用于评价光学通信系统中光纤、光连接器等的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的有效手段，同时也是分布式光纤传感器的基础。光源发射出一系列的激光脉冲进入光纤后，在光纤中产生背向散射。通过获得背向散射光信号与发射光脉冲信号的时间差[⊿t]，并且光信号在光纤中传播的速度vg是常数，因此可以确定此散射光信号产生点距离激光脉冲入射点的距离为[z=vg·⊿t2]。通过这种方法可以在整根连续的光纤上以距离的连续函数形式得到光纤中各点的温度数据。如图2所示。

2 系统组成

分布式光纤测温系统主要包括测温主机、测温光缆及CSM主机组成。

（1） 测温主机。分布式光纤测温系统测温主机由内置激光器、滤波器、高速数据采集与处理单元等组成，可实现电力电缆表面温度信息的采集、处理，并且输出温度报警信息。其安装于监控室内。

（2） 测温光缆。测温光缆既作为温度传感器探测电缆表面的温度信息，又作为通信媒介传输信息。其敷设并固定在电力电缆的表面。

（3） CSM主机。CSM主机通过网络与测温主机连接进行通信。CSM主机内嵌入CSM软件，该软件可实现对报警参数、监测区域划分、通信参数等测温主机参数的设置；采集电缆表面的温度数据并在屏幕中以温度曲线的形式显示；计算电缆导体的温度数据；输出报警信息等。CSM主机是安装于监控室或者中央控制室内的。

3 工程应用

为了证实分布式光纤测温系统的有效性，在国内某隧道对该系统进行了温度测量试验。该系统主要用于监测该区域220 kV变电站的两个隧道（2#、3#隧道）中11个超高压电缆回路33条电缆的温度值，其中2#隧道内5个回路15条电缆总长为1 250 m，3#隧道内6个回路18条电缆总长为1 250 m。

3.1 系统配置

分布式光纤测温系统测温主机：1台；通道1：2#电缆隧道1 250 m；通道2：3#电缆隧道1 250 m；CSM主机：1台；CSM软件：1套；测温光缆：总长度2 500 m。

根据被测电缆信息，采用1台分布式光纤测温系统测温主机实现对2#，3#隧道内11个回路的33条电缆进行在线温度监测，系统结构图如图3所示。分布式光纤测温系统测温主机安装于变电站的监控室内，并与测温光缆相连；测温光缆分别敷设和固定于2#隧道15条电缆表面上，3#隧道18条电缆表面上；CSM主机内置CSM软件，主要采集分布式光纤测温系统的信息，显示电缆表面的温度数据和温度曲线；计算电缆导体温度数据，并显示相关数据和曲线；实现对短期运行负荷的预测；该软件能够组态被测电缆布局；输出多级报警，并通过网络通信协议输出多种类型的报警信号等。

3.2 运行结果

3.2.1 表面温度显示

分布式光纤测温系统已运行，图4为其软件界面图，界面上显示了被测电缆的布局图、电缆走向、电缆名称、电缆表面温度最高值、电缆导体温度最高值、运行电缆的电流值、温度异常报警等信息，通过该界面，用户可以随时掌握电缆运行情况。

通过打开子窗口可以显示详细的电缆温度分布曲线，也可以打开各个回路子窗口，查看各个回路的3条电缆的温度分布曲线，帮助用户随时深入了解运行电缆的温度信息，如图5所示。

3.2.2 电缆导体温度实现

CSM软件内置动态载流量模型，可以根据分布式光纤测温系统测温主机采集的电缆表面温度和运行电缆的电流值计算出电缆导线的温度值，并预测短期电缆运行负荷，为电力调度提供依据，提高资产利用率。图6为电流和电缆表面温度的响应曲线图，其中蓝色曲线表示分布式光纤测温系统测温主机采集的电缆表面温度值，柱状图为电缆的运行电流值，红色曲线表示电缆导体温度值。

3.2.3 温度异常报警输出

当分布式光纤测温系统测温主机测到的电缆表面温度值超过系统设定值，将输出系统报警信号，包括异常温度值和位置信息。从图7的系统报警输出曲线图可知，有一个尖脉冲值54.7 ℃超出了系统的的预报警温度值为48 ℃，系统输出了报警信号。经证实该报警处确实存在电缆故障，目前已修复，挽回了重大经济损失和人员伤亡。

4 结 语

分布式光纤测温系统是电缆体温计，能够有效地、实时地提供电力电缆的分布式温度信息，准确反应现场运行电力电缆实际运行情况，及时发现和定位温度异常点，为电缆故障提供温度预警功能，避免电力事故发生。

参考文献

[1] 林波.超高压XLPE电缆绝缘监测技术的工程化应用[D].上海：上海交通大学，2011.

[2] 张在宣，张步新，陈阳.光纤背向激光自发拉曼散射的温度效应研究[J].光子学报，1996，25（3）：273?278.

[3] 陈军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感技术[J].电力系统及自动化学报，2005，17（3）：47?49.

[4] 刘林红，张在宣，余向东，等.30 km分布式光纤测温传感器的空间分辨率研究[J].仪器仪表学报，2005，26（11）：1195?1210.

[5] 何明科，张佩宗，李永丽.分布式光纤测温技术在电力设备过热监测中的应用[J].电力设备，2007（10）：30?32.

[6] 彭超，赵建康，苗付贵.分布式光纤监测技术在线监测电缆温度[J].高电压技术，2006（8）：43?45.

[7] 郭兆坤，郑晓亮，陆兆辉，等.分布式光纤温度传感技术及其应用[J].中国电子科学研究院学报，2008（5）：543?546.

[8] 刘媛，张勇，雷涛，等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J].山东科学，2008，21（6）：50?54.

[9] 张在宣，王剑锋，刘红林，等.30 km远程分布式光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光，2004，31（5）：613?616.

[10] 崔文华，陈志斌.分布式光纤温度监测与报警系统的研究[J].红外与激光工程，2002，31（2）：175?178.