應用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感新技術

摘　要: 光纖分布式測溫技術是一種利用激光在光纖中的傳播特性，實現實時測量空間溫度場分布的新技術。它能對光纖沿線的溫度場進行分布式的連續檢測。 本文介紹了該技術的測溫原理，以及其在高壓輸電電纜內部溫度監測方面的應用，并介紹了光纖安裝方式對測溫精度的影響。

　　關鍵詞: 高壓電纜; 光纖; 分布式溫度傳感; 光時域反射

1前言

　 　分布式溫度傳感(DTS:distributed temperature sensing)技術是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感技術。該技術利用光時域反射(OTDR:optical time domain re flectometry)原理、激光喇曼光譜原理，經波分復用器、光電檢測器等對采集的溫度信息進行放大并將溫度信息實時地計算出來［1］。目前，國外 (主要是英國、日本等國)已利用激光喇曼光譜效應研制出分布式光纖溫度傳感器產品［2］，而國內也在積極 地開展這方面的研究工作，現已研制成功基于分布式光纖溫度傳感原理的一系列產品，可廣泛應用在航空航天、石油測井、電力、冶金、煤礦等領域中［3］。國內把分布式光 纖溫度傳感技術引入電力系統電纜測溫的研究工作只是剛剛開始。

　　分布式光纖傳感技 術具有抗電磁場干擾、工作頻率寬、動態范圍大等特點，它能夠連續測量 光纖沿線各點的溫度，目前，國外產品的測量距離可在1~30km范圍內，空間定位精度達到1m之內，溫度分辨率達到1℃［4，5］。其能夠進行不間斷的自 動測量的特點，特別適用于需要大范圍多點測量的應用場合。由于這種光纖傳感技術采用的是普通光纖，因而，其在高壓電力電纜載流量的動態計算（用纜芯溫度間接反映），長距離電纜接頭處的溫度監測以及電纜發生斷線故障時斷點位置的測量等場合具有廣泛的應用前景。

2光纖分布式溫度傳感原理

　 　光纖溫度傳感原理的主要依據是光纖的光時域反射(OTDR)原理以及光纖的后向喇曼散射 (raman scattering)溫度效應［6］。當一個光脈沖從光纖的一端射人光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播。因光纖內壁類似鏡面，故光脈沖在傳播中的每一點都會產生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反。這種后向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的關系。反射點的溫度 (光纖所處的環境溫度)越高，反射光的強度也越大。也就是說，后向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。利用這個現象，若能測量出后向反射光的強度，就可以計算出反射點的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理。



　 　用公式來表達：當頻率為ν0的激光入射到光纖中，它在光纖中向前傳輸的同時不斷產生后向散射光波，這些后向散射光波中除了有一條與入射光頻率ν0相同的 中心譜線之外，在其兩側，還存在著(ν0-Δν)及(ν0+Δν)的兩條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線，低頻一側頻率為(ν0-Δν)、波長為λs的譜線稱為斯托克斯線(st ocks)，高頻一側頻率為(ν0+Δν)、波長為λa的譜線，稱為反斯托克斯線(A ntistokes)。根據喇曼散射理論，在自然喇曼散射條件下，兩束反射光的光強與溫度有關。為了消除激光管輸出的不穩定、光纖彎曲、接頭的損耗等影響，提高測溫準確度，在系統設計中，采用雙通道雙波長比較的方法，如圖1所示，即對AntiStocks光和Stock s光分別進行采集，利用兩者強度的比值解調溫度信號。由于AntiStocks光對溫度更為靈敏，因此，將AntiStocks光作為信號通道， Stocks光作為比較通道，則兩者之間的強度比為［7］
　　
式中：λs和λa分別為Stocks和AntiStocks光波長；h為普朗克常數；c為真空中的光速；k為玻爾茲曼常數；ν0為入射光頻率；T為絕對溫度。

　 　從式(1)中可以看出，R(T)僅與溫度T有關，而與光強、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關。因此，借助探測反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光 強之比值可以實現溫度的測量。另外，利用OTDR技術，還可以根據激光后向散射信號在光纖中的損耗來監測光纖的故障點和斷點的位置，進而獲知電纜斷線的有關信息。

3光纖分布式測溫的實現方法

　　如圖2所示的結構圖可用來實現上述的光纖分布式測溫原理［8］。在同步控制 單元的觸發下，光發射機產生一大電流脈沖，該脈沖驅動半導體激光器產生大功率的光脈沖，并注入激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖要經過光路耦合器后進入一段放置在恒溫槽中的光纖（用于系統標定），然后進入傳感光纖。當激光在光纖中發生散射后，攜帶有溫度信息的喇曼后向散射光將返回到光路耦合器中，光 路耦合器不但可以將“發射機”產生的光脈沖直接耦合至傳感光纖，而且還可以將散射回來的不同于發射波長的喇曼散射光耦合至分光器。分光器由兩個不同中心波長的光濾波器組成，它們分別濾出Stocks光和AntiSt ocks光，兩路光信號經過接收機時進行光電轉換和放大，然后由數據采集單元進行高速數據采樣并轉換為數字量，最后經過對信號進一步處理（提高信噪比），用于溫度的計算。



　　根據式(1)可以得到
　　
因而，在測溫系統標定后，通過測定R(T)，利用已知溫度T0下的光強之比R(T0)，根據后向光波的傳播時間，就可以確定沿光纖各測量點的溫度值。

4光纖安裝位置對測溫精度的影響

　　電纜光纖分布式測溫技術的核心問題是要提高測溫精度，而溫度測量的精度需要考慮入射光 強度、系統噪聲、喇曼散射系數、疊加次數與溫度分辨率等幾個方面的因素［9］。另外，光纖的安裝方式對溫度測量的精度也有著直接影響。

　 　光纖的安裝方法通常有兩種，一種是表貼式，另一種是內絞合式，以110kV線路中使用的三芯電纜為例，示意圖如圖3所示。這兩種光纖安裝方法在溫度測量 上有各自的優點和缺點。在圖4中［10］，圖4(a)所示的是美國奧克蘭地區1999年6月份的用電量分布圖，其中選定該地區6月份的平均日用電量為基準值；而圖4(b)所示為6月份在兩種光纖安裝方式下所測溫度的分布圖。從圖中可 以看出，與綁縛在電纜表面的光纖相比，安裝在電纜內部的內絞合光纖能夠對負載的變化做出更快的響應。而綁縛在電纜表面的光纖（表貼光纖）由于受到電纜外界環境以及電纜本身絕緣屏蔽層的影響，幾乎無法真實地跟蹤負載的實時變化情況，其僅能反應電纜周圍環境的溫度變化情況。

　　因而，在理想情 況下，光纖應被置于盡可能的靠近電纜的纜芯的位置來更精確地測量電纜的實際溫度。但是，為了接近纜芯而破壞電纜絕緣層的方法是不實用的，而將光纖作為電纜的一部分，在加工電纜時就預埋進去的方法將會使得光纖不得不經受一些高壓電纜的制造程序中可能包括的高溫擠壓和各種各樣的彎曲操作，這種方法會大大提高電 纜的制造加工成本。目前，國外一些生產廠家所使用的加工方法是，將一根具有良好柔韌性的空管子裝在電纜內部或者是在電纜安裝好后固定在電纜表面，然后把光纖吹入空管子中。按照這種方法，光纖的安裝將不受電纜的制造和安裝過程的支配，而且可以極為方便地對光纖進行更換。該方法使光纖傳感元件不會受到任何由于電纜加工或者安裝造成的彎曲變形的影響。




　　對于直埋動力電纜來說，表貼式光纖雖然不能準確地反映電纜負載的變化，但是其對電纜埋設處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。

5結論

　 　光纖分布式溫度傳感作為一種高新技術能對電力系統中的高壓電纜進行全線的實時溫度監測。該技術在地下電纜網絡系統中所出現的溫度奇異點的識別、系統實時 負載能力的計算、電網短期超負荷能力的計算、電纜的載流量最優化配置以及實現負荷的經濟調配等方面具有廣泛的應用前景。