浅谈分布式光纤测温技术在电力电缆运行状态监测中的应用

国网湖北省电力有限公司信息通信公司 赵锦辉 张 成 吴佩霖

随着电力设备的不断完善和配电网建设规模的持续拓展，电力系统也逐渐朝着超高压、大电网、大容量以及智能化等方向发展，但与此同时，传统监测系统中存在的监测范围狭窄、监测流程繁琐等问题也在不断凸显，常出现因部分区域电力故障而导致整个供电系统瘫痪的情况，不仅增加了电力企业实际运用成本，还大大降低了用电客户的用电体验，严重限制了电力企业服务能力和盈利能力的提升。而分布式光纤测温系统的出现，使系统具备了多点在线分布式测量功能，可对电力电缆的运行状况进行实时监测，有效降低了电缆在运行过程中发生燃烧、爆炸以及火灾等安全事故的风险。

此外，传感器在开展电缆运行数据的采集工作时，会受到高电压、大电流以及强磁场等因素的影响，使得很难通过传统监测技术获取全面准确的数据信息。而分布式光纤测温技术具有抗电磁干扰、高腐蚀、耐腐蚀以及灵敏度高等优势，可减少外界因素对数据采集结果的影响。

1 分布式光纤测温系统的工作原理

1.1 拉曼散射在分布式光纤测温系统（ROTDR）中的应用

ROTDR 分布式光纤测温系统主要依赖于先进的光时域反射仪（OTDR）和拉曼散射（Raman）得以实现，拉曼散射光对温度有着极强的敏感性，可精准地测量光纤内不同位置的温度情况，是实现分布式测量温度的关键所在[1]。

此外，光在发生散射的过程中会消耗一定数量的能量，因此当主处理机利用激光光源将光脉冲注入光纤后，就会产生与之相对应的能量损耗，仅有一小部分光纤能传递到光纤末端，而传输至末端的光脉冲又会沿着光纤反射回发射端，在通过过滤方式处理向后散射光，就可识别出反射过程中存在的拉曼散射光和非拉曼散射光。再加上温度会在一定程度上限制拉曼散射光的产生，所以在对分布式光纤测温系统进行设计前，还需要运用DSP 方法消除拉曼散射光中的不确定因素，以便于可将监测到的温度信息转化为光纤温度分布图。如此就能实现利用OTDR 技术使分布式光纤测温系统具备显示故障地理位置的功能，并利用拉曼散射光计算电缆温度。

1.1.1 分布式光纤测温系统的定位原理

当向光纤发射光速略低于真空光速的脉冲时，脉冲就会自动在光纤内传播，并不间断地向光纤周围发射大量的散射光，而在此过程中会有一小部分光源反射至脉冲射入端，此时便可测量出入射光与反射光间的时间差，并将其记录为T/2，若将入射端与散射光发射位置之间的距离设定为L，则可将分布式光纤测温系统的定位公式表示为：L=VT/2，式中V 为光在真空中速度与光纤折射率之间的比值。

1.1.2 分布式光纤测温系统温度计算功能的实现

拉曼散射光指的是在光源入射端发生的一种光反射现象，此类光在传播时会进一步出现分裂，形成斯托克斯光与反斯托克斯光，其中反斯托克斯光的强度会会根据温度的升降而改变，而斯托克斯光的强度则处于一个相对稳定的范围，不会受到所处温度变化的影响，反斯托克斯光、温度以及斯托克斯光三者间的联系可表示为：αThcv/k=Las/Ls。

式中：Ls为斯托克斯光的强度、Las为反斯托克斯光的信号强度、T 为系统监测的温度值、α 为温度系数、k 为表鲍尔次曼常数、v 为拉曼平移量、c为表光在真空中环境下的传播速度。待计算出斯托克斯光强度与反斯托克斯光强之间的比值后，就能准确地测量出待测点的温度，其计算公式可进一步表示为：T=hcv/k[lna-ln(Las/Ls)]。

由于随着温度的升高，反斯托克斯光强度也会增加，所以可通过两者间的关系收集TTS 信号。此外，可通过将光纤划分为N 多个长度为1m 区域的方式，将温度读数的范围精确到1m 范围内。同时还可根据实际情况设置每一个区域的温度，当监测范围内某区域的温度过高或超出系统预先设定的安全值时，分布式光纤温度监测系统就会作出预警提示，能根据提示信息预判电缆故障点的具体地理位置。

1.2 布里渊散射在分布式光纤测温系统（BOT-DR）中的应用

布里渊散射指的是光波在摄入介质后会进一步出现弹射声波，从而引起光散射的物理现象。因为负责传播光的介质内部本身就处于一种运动状态，其折射率会随着介质的运动而发生变化，因此，光在介质中传播时会形成一定数量的声波场，迫使光在介质内部发生布里渊散射现象。在参考相关研究资料和反复论证后，得出入射光在光纤介质中出现的布里渊散射现象多是下移的斯托克斯波，主要反应了自发声波、抽运波参数参数以及斯托克斯波三者间的关系。

另一方面，随着电缆应力的变化和光纤温度的改变，光纤的折射率也会受到影响，继而改变布里渊频移量和布里渊频率，可将上述变量之间的关系表示为：VBs=VB0+CT(T-T0)+Cε(ε-εc)。根据该公式，只需测量光纤内布里渊散射光与自然界布里渊散射光相差的频率漂移量，就可准确地计算出光纤应变和温度分布情况。

1.3 BOTDR 策略原理

文章所介绍的光纤测温系统，可智能监测和识别光纤介质中反射的布里渊散射光，并以此为依据测量出电缆系统中某一区域的温度变化情况。其操作流程与传统的OTDR 相似：首先，在光纤介质的摄入段注入一定频率的光脉冲，让光纤介质内部声学声子与脉冲光相互作用，产生布里渊散射现象；其次，由处理单元监测、收集及分析进入光纤分布式测温系统的光信号，计算温度异常位置。此时就可根据散射光信号确定光纤周围布里渊北向散射光的功率状况，利用计算公式进一步明确布里渊散射光位置与射入端的距离。

另外还可通过设置时间间隔的方式调整摄入光的频率，使用上述方法多次测量后获取光纤上每一个数据采集点的布里渊散光的频率，以便于可及时确定故障点位置。正常情况下，布里渊背散光不以洛伦兹的形式呈现，其峰值功率所对应的频率就是布里渊频移VB。但当光纤受到轴向拉伸时，光纤的布里渊频移就会发生变化，此时只需比较频移变化率与光纤应变、温度间的关系，就能得到所需的应变和温度量。

1.4 受激布里渊散射测试原理

自发散射过程指的是有热激励和量子机制等引起的光散射介质发生扰动身为过程，通常为介电常数；而受激散射则是指因光散射介质扰动引起的非线性效应，其与自发散射过程相比，具有散射光源信号强、易于观察等优势，将其应用于分布式光纤智能监测系统中，可有效增强监测系统的精准度。同时，还需运用光时域反射（OTDR）技术测量与监控光纤传输路径的分布情况和变化信息，以确定光纤传输路径和传输状况与时间间的关系，最终形成布里渊光时域分析仪（BOTDA）。若出现有两台激光器频率与布里渊散射频率相同的情况，激光在光纤中传播时就能加强光线中的声波，便于锁定和监测布里渊信号。

2 运用分布式光纤测温技术监测电力电缆运行状况的策略

2.1 明确高压电缆温度监测系统的功能

在构建高压电缆分布式光纤测温系统时，需确保其具备以下功能：可实时在线监测电缆的温度，准确锁定运行电缆中的异常发热源，并确定该位置的温度状态的功能；可将电缆表面的温度转化为电缆运行的载流量，使用户可直观、准确地计算出电缆的最大载流量，提升电缆运行的效益性、安全性以及稳定性，最终实现增加电缆使用寿命和输电能力的管理目的。

随着分布式光纤温度监测技术的不断成熟和检测设备的不断革新，我国约有60%的高压电缆都安装了分布式光纤温度监测系统，但大多是以拉曼散射原理构建的，存在着响应能力慢、无法监测电缆应变情况等缺陷。而布里渊分布式光纤传感系统的出现则有效解决了上述问题，且具有较强的拓展能力，现已逐步取代以拉曼散射为基础构建的分布式光纤测温系统。

2.2 划分高压电缆温度监测系统的层级

在构建高压电缆温度监测系统前，需严格按照61850规约将系统依次划分为过程层、间隔层以及站控层。其中过程层的设备可安装于被测电缆表面或内置于电缆内部，以确保传感光纤可准确获取电缆温度，同时将温度信息发送至测温主机进行处理。间隔层主要用于放置分布式光纤测温系统的主机，主要负责将监测到的温度数据传输只监控服务器，以便于服务器存储、处理及管理数据资料。站控层则是安装运行监控中心的主要位置，是一切在线服务数据的存储空间，使管理人员能够随时随地的查看和运用分析报告。

2.3 安装传感光纤的正确方法

当前较为常用的传感光纤安装形式有表贴式和内置式两种，其中表贴式光纤的优点在于安装成本低廉、安装流程简单，不需破坏原有的电缆结构，经常被用于老电缆线路的改良中，但此类安装方式无法准确反映电缆负载的变化情况。内置式传感光纤则可精准、及时的响应电缆负载的变化，监测结果更加接近电缆真实温度，但需在生产电缆的同时就安装传感光纤，因此多被运用于新电缆的架设中。在实际使用时需根据工程项目的实际情况，合理选择传感光纤的安装方法。

综上，电力电缆作为电力能源的传输载体，其运行情况直接决定着配电网络的安全性和稳定性，只有全面有效地监测电力电缆的运行状态，才能保障整个供电系统的正常运行。而分布式光纤测温系统的运用，有效实现了全面、实时监测电缆温度变化情况和精准定位故障点位置的管理目标，是目前增强电力电缆运行质量和运行效率的最有效手段，值得在今后的工作中不断推广和使用。