关键词：分布式光纤测温；在线监测；火灾监测
引言
以故障维修、预防性试验、预防性计划检修为主的检修体制，虽然在一定程度上可保持供电的稳定性和人力、物力、资金的计划性，但随着电气设备向高参数、大容量、复杂化发展，检修投入大幅度上升、临时性检修频繁、维修不足、维修过剩、盲目维修问题日益突出。基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修[1]研究得到发展，状态检修被企业引起了广泛重视，成为目前电缆管理、运行、检修中的一个重要研究领域。
对电缆在运行过程中显现的物理特性(如局部放电、弧光、温度、接地电流、介质损耗等)进行在线监测并基于监测结果推断电缆的运行状态，是电缆运行维护的重要手段。分布式光纤（沿电缆布置）温度测量系统能够进行长距离，大范围连续分布式温度监测，可实现远程监控。高灵敏度、高测量精度、高空间分辨率、定位精准、反应迅速，电磁绝缘性极好，适用于防爆环境。电缆分布式测温光纤的应用集成主要分为三种情况：在已运行的电缆线路表面加装测温光纤、在电缆线路敷设安装的同时安装测温光纤、电缆在工厂制造时内部集成测温光纤。
1、分布式光纤温度监测技术发展
分布式光纤温度(DTS)传感技术起源于20世纪70年代，是一种新型的测温技术，由于信息是在光信号的基础上传送的，其优势主要体现于能够不受电磁干扰。从工作原理的角度来看，可以将光纤温度传感器分为传输型和功能性两种。传输型光纤温度传感器中光纤只对光信号进行传输，而功能型传感器则能够在传输光信号的同时传输温度信息和光纤感应信息[2]。现阶段，应用较广的光纤温度传感器主要包括光纤光栅、光纤温度、光纤荧光、干涉型光纤温度传感器，其中光纤光栅温度传感器和光纤温度传感器应用最为广泛。
早在1981年，英国南安普顿大学就提出了分布式光纤温度传感器。随着光纤应用技术的发展，基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统是目前世界上最先进、最有效的连续分布式温度监测系。分布式光纤温度监测系统只需随电缆敷设的一根光纤就可提供整条电缆的运行温度，具有无干扰、无辐射、施工简单、安全性高等特点，可为电缆温度监测和安全运行提供科学依据，从而有效避免高压电缆安全事故的发生，目前该系统已被广泛的应用于电缆行业。德国LIOS公司与西门子公司联合研制的分布式光纤测温系统在国内外已取得广泛的应用，我国多家单位也成功研制出分布式光纤测温系统并已投入商业运行，已得到国内用户的广泛认可。
目前，关于分布式光纤测温系统的研究已经相当成熟，其测量距离最长可达30km，温度分辨率最高可达0.1℃，空间定位精度最高可达0.5m。国内外产品在性能指标上的差距进一步缩小，未来发展的重点在于提高该产品的测量距离、空间分辨率、温度分辨率以及产品的其他性能指标。
2、分布式光纤测温系统基本原理
2.1光纤拉曼散射测温原理。光纤温度测量技术基于拉曼散射的物理效应。光波导由搀杂的石英玻璃制成，石英玻璃由SiO2分子组成， 热使分子晶格产生振动，如果激光照射在受热激发而振动的分子上，激光脉冲和这些光纤分子之间会发生相互作用。因此光在光波导中会发生散射，这种效应就是拉曼散射(Raman scatter)。散射有多种，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti．Stokes)光。反斯托克斯光信号的强度与温度有关，斯托克斯光信号与温度无关。
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从光波导内任何一点的反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号强度的比例中，可以得到该点的温度[3]：
T= (2-1)
(2-1)式中：h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；Is为斯托克斯光强度；IAs为反斯托克斯光强度； f0为伴随光的频率；Δf为拉曼光频率增量。
2.2光纤光时域反射定位原理。对测量点的空间定位是通过光时域反射测量 (OTDR)技术实现的，OTDR的测量过程是发射激光脉冲，通过检测光脉冲的发射和返回的时间差决定光的散射水平和位置。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。
总之，分布式光纤温度传感系统(DTS)依据光纤的光时域反射(OTDR)和光纤背向Raman散射的温度效应，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，实现真正分布式的测量。工作原理主要是根据入射光在光纤内通过时，由于光纤本体所处的温度不同而引起该处的光线散射率不同，进而影响光线发射端收到的散射光的强度发生变化，从而计算该处的温度值。由于光线在光纤内的传播速度是一定的，因此根据发射端收到散射光的先后顺序和时间间隔，就可以计算光纤本体沿线的温度分布。
3、分布式光纤测温系统的实际应用
基于分布式光纤测温技术的ATDTS-MK可恢复式线型光纤差定温火灾探测器系统，在我公司总变电站电缆夹层火灾报警系统中成功应用。温度监测系统包括感温光缆(SCJKBV-1A1D 62.5/125 3.0mm)、火灾探测器（无锡亚天光电ATDTS-MK）、串口控制继电器模块(KBC1108)、工业计算机及相应的软件（中文操作系统）构成。现场测温光纤在电缆桥架内电缆表面呈S形敷设布置。
ATDTS-MK主机两路光纤接口输出，光纤接口FC/APC，定位精度±1m，温度精度±1℃，温度分辨率0.1℃，空间采样间隔仅0.4m，检测周期可达秒级，测温范围-150℃~350℃，工作环境温度-10~50℃，工作湿度0~95%无凝结。感温元件为测温光纤，电气绝缘，具有极佳的电磁惰性，本质安全，特别适合本公司化工行业、总变电站环境的特殊要求。工作原理依据光纤的光时域反射(OTDR)和光纤背向Raman散射的温度效应，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，实现真正分布式的测量。
该测温系统设有监控后台电脑主机。ATDTS-MK采集系统负责进行测温，将所得的数据保存在数据库服务器中，中心服务器完成综合监视、数据管理、事件管理、台账管理、统计管理和系统管理。监控人员通过监控界面可随时掌握电缆的运行温度、温度曲线等状态信息。一旦电缆发生局部过热，将在监控界面上显示出温度异常信息，弹出报警信息框。同时DTS系统将电缆夹层的温度监测和火灾预报信息及时发送给总变电站的火灾报警控制器（全厂联网）上传至厂区火灾监控中心，自动实现联动控制火灾预报警。
4、结束语
基于分布式光纤测温技术的电力电缆在线监测系统不仅能实时监测电缆隧道、电缆桥架内敷设电缆的温度变化，实时监控电力电缆负荷情况，对电缆故障进行及时报警，迅速准确地定位故障点，能够联动控制实现电缆火灾预报警，大大提高了供电的可靠性，成为目前电缆在线监测最有效的手段之一。而且通过合理布置传感器位置，还可应用于电厂发电机母线、大型变压器、高压开关柜等电气设备关键设备点（触头、母排、电缆接头等）的温度监控，达到点、线结合，全面在线监测，提供良好的扩展应用能力。
参考文献：
[1] 黄雅罗，黄树红．发电设备状态维修．北京：中国电力出版社，2000．
[2] 丁皓．光纤温度传感器在电力设备安全监测中的应用．电力设备，2017,(24):1002.
[3] 刘媛等．分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用．山东科学，2008，21（6）：51
论文作者:贾世宽
论文发表刊物:《中国电业》2019年20期
论文发表时间:2020/3/10
标签：光纤论文; 测温论文; 温度论文; 电缆论文; 分布式论文; 火灾论文; 在线论文; 《中国电业》2019年20期论文;