基于分布式光纤测温的电力电缆温度在线监测系统

田晓霄，李水清，陈泰，方临川

(正泰电气股份有限公司，上海 201610)

0 引言

电力电缆是电力传输的重要载体，它的运行温度制约着高压超高压输配电系统的安全运行，温度升高会使绝缘老化，泄露电流增大，最终导致绝缘击穿。因此，无论是从电力电缆自身安全运行角度考虑，还是从电力系统调度需要角度考虑，都迫切需要建立高压超高压电力电缆实时在线测温系统(HAEHVPCTOMS)[1]。

目前国内外所采取的实时监测温度方法主要有点式测温和线式测温两种。点式测温主要是指将热电偶等点式感温装置装在电缆重要部位进行测温，此方法只能测量局部位置温度，而无法对动辄十几公里的电缆线路实现温度在线监测，而且测量精度也较低;线式测温随电缆本体全线敷设测温光纤，基于光纤光栅原理的测温、基于拉曼散射原理的分布式测温原理，能连续测量和准确定位光纤所处空间各点的温度，且测量精确度较高。因此，分布式测温系统在电缆测温应用前景较好[2－3]。

1 分布式光纤测温系统的原理

1.1 光纤拉曼散射测温原理

在光纤传输过程中当激光脉冲与光纤分子相互作用时，可以发生多种形式的散射，

拉曼散射(Roman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，产生两种光波，一种是随温度变化而变化的反斯托克斯光(Anti-Stokes光)，一种是与温度无关的斯托克斯光(Stokes光)。分布式测量就是通过测量入射光和反射光之间的时间差，来计算出发射散射光的位置距离入射端的长度。

用反斯托克斯光和斯托克斯光的比值表示温度:

其中Ia、Is分别是反斯托克斯和斯托克斯的光强度，λa、λs分别是反斯托克斯和斯托克斯的波长;h为普朗克常量;c为光速;μ为每米波数;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度[4]。

1.2 定位原理——光时域反射(OTDR)原理

OTDR技术主要用于检验光纤损耗特性及光纤故障，同时也是分布式光纤测温系统距离定位的基础。技术原理如图1所示。

图1 光纤光时域反射原理图

入射光脉冲经过传感光纤的一端F，其中大部分光脉冲从光纤末端消失，一小部分由光纤反射回来。设后向反射光从光纤中点到F断所需的时间为t/2，则:

式中v为光在光纤中传播的速度，C为光速，n为光纤折射率。

因此利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的距离及异常温度点、光纤断裂点的距离定位信息[5－6]。

1.3 温度的标定

在实际的测量中，为了解决温度传感器的温度基准问题，需要在光纤上设置定标区。将定标区设置在光纤的前200 m，放入恒温箱作为参考光纤，设置温度为T0，则:

在设定定标区后，通过R(T)的值来确定沿光纤各测量点的温度值[7]。

2 分布式测温系统的组成

分布式光纤测温系统主要由光纤激光器、传感光纤、光纤定向耦合器、光纤波分复用器数据采集与信号处理等组成。系统结构框图如图2所示。

图2 系统框图

将传感光纤放置在待测温度场中，由DSP处理器发出控制脉冲，启动脉冲光纤激光器开始工作，同时发出指令启动高速采集模块进行数据采集和处理。激光在光纤中传输时，通过分光器，可以分 别 滤 出 Stokes光 和 Anti-Stokes光。两种光在APD中进行光电转换，Anti-Stokes光携带有温度信息，Stokes光作为参考光源;两路光电转换后的电信号经过放大电路，被高速数据采集模块采集并处理成温度信息，并传输给DSP处理器，并将结果提供给PC机供操作者使用查询。

3 分布式测温系统的实现

分布式测温系统主要由高速的AD9288和TMS320vC5402 DSP完成对信号的采集，并通过串行通信的方式将数据传送给液晶屏，即采用串口将采集到的数据送到上位PC机。

3.1 高速数据采集电路的实现

高速数据采集电路性能是整个系统信号处理的关键，高速数据采集电路主要分为光电转换电路和高速A/D转换，光电转换电路部分的主要器件为APD和运算放大器AD708，电路图如图3所示。

图3 光电转换电路图

3.2 A/D转换电路

为达到高速数据采集目的，采用FPGA直接控制A/D转换的方式达到。由系统精度的要求，A/D的转换速率要达到100 MHz，而且是两路信号输入并且模拟带宽不能小于100 M，综合性价比选择ADI公司的AD9288。将采集到的数据传送给 DSP处理，其测温电路图如图4所示。

图4 A/D转换电路图

3.3 系统软件部分的实现

图5 系统运行软件流程图

应用分布式光纤测温技术获取温度之后，针对电缆监测的特点，还定制了专门用于电缆温度在线监测的软件功能。以便进行数据的获取、计算和报警显示。系统软件运行流程如图5所示。

4 分布式光纤测温系统在线监测电缆温度

针对电力行业220kV高压电缆的分布式光纤测温的实际工程应用，设计过程中选用了低烟无卤阻燃性非金属感温光缆。该型号光缆为多模光纤，参数要求衰减＜2.4 dB/km。探测光缆采用外置式安装方式沿着电缆表面敷设，且每隔1 M用光缆固定夹具进行绑扎。这种安装方式简单，制造和安装成本低，光纤熔接点少，具有更佳的光纤衰减。对该系统进行室内实验，并与热电偶测量值进行比较，其结果如表1所示。

表1 测温试验结果

5 结束语

采用分布式光纤测温技术，利用拉曼散射原理和OTDR原理，开发了以DSP和FPGA构成的信号处理单元，通过一系列软件算法处理，可以实时监测电缆温度，并对电缆故障进行精确定位。试验表明，系统在线测温误差较小，实时性能较好，可以为用户提供电缆实时运行状态信息，及时发现潜在故障。

[1]赵勇.光纤传感原理与技术[M].北京:淸华大学出版社，2007，8.

[2]李圣普，王小辉.分布式光纤测温在动力电缆温度监测中的应用[J].计算机与数字工程.2012，11(40):99－101.

[3]周芸，杨奖利.基于分布式光纤温度传感器的高压电力电缆温度在线监测系统[J].高压电器.2009，45(4):74－81.

[4]李杰.电力电缆分布式测温系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学，2012.

[5]孙静，赵子玉.电力电缆温度实时在线监测[J].电线电缆.2011，2(1):40－46.

[6]郝学磊，陈鹏.基于分布式光纤测温的电缆温度在线监测系统设计与应用[J].通信电源技术.2013，30(2):59－60.

[7]徐元哲，王乐天.电力电缆接头测温系统的设计[J].高电压技术.2009，35(12):2977－2980.