分布式光纤测温技术在电力管道火灾监测中的应用

任赟 吴忠平 贺艳华 章立伟 邵淦

【摘要】    本文对于分布式光纤测温技术的研究现状进行了论述，并针对目前城市电力管道运行中的火灾监测问题进行了分析，提出了一种利用同沟道电力光缆进行分布式温度监测的应对措施，减少了传感器部署实施过程中的投入成本，对于提高城市电网电缆的运行可靠性具有重要意义。

【关键词】    光纤测温    电力管道    电力光缆    火灾监测

引言：

随着经济的发展，电力电缆在电网中所占的比例日益增长，电缆是电力系统在城区中传输电力的主要载体，其本身的可靠性直接影响了城镇居民的用电感受。近年来，随着各个城市的发展和建设，城市建成区不断扩张，电缆公里数不断突破，因此城市内和电力管道相关的工程也日益增加，给电缆的安全运行带来了很多隐患，甚至发生火灾事件 [1]。为了确保电缆处于安全正常运行状态，必须对电缆的温度等参数进行实时监测。目前，针对电缆的温度检测主要有以下几个方法：

1.人工监测故障并进行判断。通过电缆电气性能监控平台，在发生电缆故障时进行性能分析，同时，派人员至现场进行确认。这种方法是最原始的人工值守防范，对于电缆火灾的反应速度最慢。

2.热电偶测温。在重点部位（一般指电缆接头处）安装温度传感器。这种方式测量的范围有限，而且传感器需要周期性更换电池或者从电缆进行取电[2]，虽然能够实时监测传感器处的温度，但是其覆盖范围和可靠性较差。

3.光纤测温。光纤测温最早用于测量钢水温度[3]，之后随着基于拉曼散射原理的分布式光纤测温技术逐渐发展，同时具有利用反射光定位故障地点的功能，逐渐在石油管道、电力隧道内等场景进行应用。

一、分布式光纤测温技术原理

（一）光时域反射原理

光时域反射（英文称为Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）技术，是利用光线在传输中的背向散射原理，通过计算返回入射端光脉冲类型和强度与返回时间的关系，从而得出光纤芯的损耗以及其他指标状态。[4]

（二） 分布式光纤测温原理

分布式光纤测温系统（DTS）主要由线型感温火灾探测器终端设备和集成检测软件系统组成，可以实现温度的实时测量并能够精確定位。其原理主要依据后向散射原理，可分为三种类别，其中应用最广泛的是基于拉曼（Raman）散射的测温技术。通过激光在光纤传输中微弱的背向散射信号，获得两种温度敏感和不敏感的反射信号：反斯托克斯信号（Anti-Stokes）和斯托克斯信号（Stokes），利用计算公式计算得出温度。其工作原理如图1所示。

Stokes：               （1）

Anti-stokes：               （2）

其中。根据推导，得到温度：

（3）

结合脉冲光源和光纤定位技术（OTDR），就可以得到沿着光纤所有分布式点的温度。

二、电力管道测温的不足和改进措施

（一）电力管道引入DTS技术

城市电网中电缆基本都敷设在地下的管道之中，主要可以分为电缆隧道和电力管道2种。

目前大部分的光纤测温集中运用在电缆隧道之中，这是因为隧道内的空间相对较大，同时电缆敷设后的变动相对较少，因此敷设地点的安全性和稳定性相对较好。

而对于大部分电缆，主要敷设在电力管道中，这些管道一般空间有限，且在城市发展过程中会产生较多的变动，火灾、外破等事故经常发生，如图2所示就是火灾事故后的电力管道。

利用DTS技术，实现电力管道的温度感知，能够有效感知电力管道内部火灾的发生，缩短抢修恢复时间，提高管道内安全性和可靠性。

（二）光缆替代探测光纤

DTS系统一般采用专用的探测光纤作为感知传感器，因此对于一些已经在城市电网地下电力管道中敷设完成的电缆，需要重新进行光纤覆盖，工作量不亚于重新敷设一边地下电缆。

由于电缆火灾往往会引起同沟道内的电力光缆的损伤，因此，采用已存在的电力光缆替代探测光纤会更加合理可以使用电力光缆的冗余纤芯替代光纤测温中需要用到的传感光纤，既能减少重复附设的工作，又能提高光纤的可靠性，如图3所示。

（三）中心机房部署设备

电力系统中光缆一般为多方向星型部署，因此光缆资源较为丰富，理论上，只要通过改变机房的接入光缆，就可以实现多方向的火灾监测，从静态监测可转变为动态轮询监测，将大大提高了效率。

三、应用实例

（一）典型系统设计

一个中心变电站具有n个方向的电力管道方向。最大电力管道长度m公里。根据设计要求采用1台策略距离足够覆盖电力管道长度m公里的设备，n通道光纤测温主机，利用同缆敷设的电力通信光缆中的空闲光纤芯，每个通道监测1回电力电缆所在管道方向，如图4和图5所示。

主机放置在可放在中心变电站里，n条光缆沿着电缆隧道铺设至尾部，数据可通过通信数据网上传到监控中心。

（二）站内连接

利用现有通信用ODF架设备，现有通信用ODF架设备接头为FC/PC接头，分布式光纤测温系统可使用10、11、12三个接口，因FC/PC接头端面反射远大于散射光强度，导致分布式光纤测温系统无法正常工作，需把现有FC＼PC接头更换成E2000＼APC接头，更换后不会对该odf架上其它接头造成影响。

具体步骤为：

1.慢慢抽出ODF架盘线盒，内部接FC光纤适配器的是FC/PC尾纤接头。

2.取下待更换FC/PC尾纤接头和FC光纤适配器。

3.用剪刀剪掉待更换FC/PC尾纤接头。

4.用剪掉FC/PC接头的剩余尾纤和准备好的E2000/APC接头尾纤用光纤熔接机进行熔接。

5.把熔接好的光纤接续热缩管和多余尾纤用胶带牢固固定在ODF架盘线盒内，把盘线盒推进ODF架内，恢复原貌，最后把ODF架外更换好的E2000/APC接头接入到分布式光纤测温系统主机的光纤接口，调试监测。

（三）系统通讯

光纤测温主机通过通信数据网将数据上传至系统工作站。

（四）软件系统

图13是光纤测温系统监测状态下的软件界面，每个测量通道会具有单独的监测界面，标注为通道1～通道n，显示从设备引出的整条光纤的温度曲线图，纵轴为温度，单位为摄氏度（℃）;横轴表示距离，单位为米（m）。温度曲线图下方是表格形式的温度记录。当某处温度异常的时候，通过曲线图可以直观地表示出该处温度升高或降低，同时可以定位温度异常点的距离。每个通道可以分别设置温度报警阈值，过高或过低可以分别设置，并可以发出自动警报信号。在软件界面上也会突出显示报警通道及相关信息。

系统可以设置定时保存数据;并可以导出数据以便后续进行数据分析。可以快速查询时间点（段）或者距离点（段）的温度数据。

软件系统集成了电子地图功能模块，可以进行后续升级，实现地理信息数据展现（GIS）。可以根据实际电缆走向绘制平面图：包括电缆的线路走向以及每个测温点的温度信息。当系统检测到电缆局部发生温度异常时，可以立即通过软件实现告警，并指示告警的区域。

四、结束语

本文通过应用分布式光纤测温技术，实现了电力管道中的火灾监测，并在实施过程中减少了投入成本，同时可实现多方向的火灾监测。

在之后的研究中，将在以下几个方面进行改进：1.将光纤连接改造为活动式连接，同时能够在测温的基础上进一步探测。2.通过算法实现灵敏度提升，不局限于火灾监测，甚至能够预测趋势。

作者单位：任赟    吴忠平    贺艳华    章立伟    邵淦

国网浙江省电力有限公司宁波供电公司

2.3 中心机房部署设备

电力系统中光缆一般为多方向星型部署，因此光缆资源较为丰富，理论上，只要通过改变机房的接入光缆，就可以实现多方向的火灾监测，从静态监测可转变为动态轮询监测，将大大提高了效率。

3 应用实例

3.1 典型系统设计

一个中心变电站具有n个方向的电力管道方向。最大电力管道长度m公里。根据设计要求采用1台策略距离足够覆盖电力管道长度m公里的设备，n通道光纤测温主机，利用同缆敷设的电力通信光缆中的空闲光纤芯，每个通道监测1回电力电缆所在管道方向，如图4和图5所示。

主机放置在可放在中心变电站里，n条光缆沿着电缆隧道铺设至尾部，数据可通过通信数据网上传到监控中心。

3.2 站内连接

利用现有通信用ODF架设备，现有通信用ODF架设备接头为FC/PC接头，分布式光纤测温系统可使用10、11、12三个接口，因FC/PC接头端面反射远大于散射光强度，导致分布式光纤测温系统无法正常工作，需把现有FC＼PC接头更换成E2000＼APC接头，更换后不会对该odf架上其它接头造成影响。具体步骤为：

1 慢慢抽出ODF架盘线盒，内部接FC光纤适配器的是FC/PC尾纤接头。

2 取下待更换FC/PC尾纤接头和FC光纤适配器。

3 用剪刀剪掉待更换FC/PC尾纤接头。

4 用剪掉FC/PC接头的剩余尾纤和准备好的E2000/APC接头尾纤用光纤熔接机进行熔接。

5 把熔接好的光纤接续热缩管和多余尾纤用胶带牢固固定在ODF架盘线盒内，把盘线盒推进ODF架内，恢复原貌，最后把ODF架外更换好的E2000/APC接头接入到分布式光纤测温系统主机的光纤接口，调试监测。

3.3 系统通讯

光纤测温主机通过通信数据网将数据上传至系统工作站。

3.4 软件系统

图13是光纤测温系统监测状态下的软件界面，每个测量通道会具有单独的监测界面，标注为通道1～通道n，显示从设备引出的整条光纤的温度曲线图，纵轴为温度，单位为摄氏度（℃）;横轴表示距离，单位为米（m）。温度曲线图下方是表格形式的温度记录。当某处温度异常的时候，通过曲线图可以直观地表示出该处温度升高或降低，同时可以定位温度异常点的距离。每个通道可以分别设置温度报警阈值，过高或过低可以分别设置，并可以发出自动警报信号。在软件界面上也会突出显示报警通道及相关信息。

系统可以设置定时保存数据;并可以导出数据以便后续进行数据分析。可以快速查询时间点（段）或者距离点（段）的温度数据。

软件系统集成了电子地图功能模块，可以进行后续升级，实现地理信息数据展现（GIS）。可以根据实际电缆走向绘制平面图：包括电缆的线路走向以及每个测温点的温度信息。当系统检测到电缆局部发生温度异常时，可以立即通过软件实现告警，并指示告警的区域。

4 结论

本文通过应用分布式光纤测温技术，实现了电力管道中的火灾监测，并在实施过程中减少了投入成本，同时可实现多方向的火灾监测。

在之后的研究中，将在以下几个方面进行改进：

1、将光纤连接改造为活动式连接，同时能够在测温的基础上进一步探測。

2、通过算法实现灵敏度提升，不局限于火灾监测，甚至能够预测趋势。

参考文献

[1]张昊阳. 电力电缆分布式光纤在线测温系统的研究[D]. 秦皇岛： 燕山大学. 2019

[2]张露. 电力电缆测温系统取能电源设计研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学. 2012

[3]山崎三生， 井上茂， 菊地一郎等. 使用光纤的温度测定装置和方法[P]. CN1111751A. 1995.

[4] Roger E. Robichaud. Optical time domain reflectometer[P]， US4289398A. 1978.

[5]肖骏. 分布式拉曼光纤测温系统研究进展[J]. 科技创新与应用， 2018， 0（6）：157-159.

[6]吴科， 熊刚， 邓旭东等. 城市高压电缆分布式光纤测温技术应用现状[J]. 电工技术， 2020. 0（1）：140-143

作者姓名：任赟

单位：国网浙江省电力有限公司宁波供电公司

通讯地址：浙江省宁波市鄞州区星海北路均胜翡翠湾5号楼信息通信分公司

邮编：315000

电子信箱 ：reny0927@163.com

联系电话：13605749460