电缆分布式光纤测温系统的应用

0引言

电缆是城市配电网电能传输的关键，其高效可靠运行对系统稳定性至关重要。电缆数量多且地下分布广泛，故障排除和修复难度大，运维管理繁重。为提升运行环境、供电可靠性和运维效率，需对电缆运行状况实施有效监控，开展高效故障预警与定位，以提升电缆运行效率。

电缆缆芯温度是评估电缆线路运行的关键指标。目前，主要依赖测温传感器测量电缆外护套或缓冲层温度，并通过计算估算缆芯温度。计算方法包括IEC60287标准和有限元分析技术。但参数选择、电缆敷设条件及环境变化等可能影响热传递模型，导致计算结果偏差。

由于电力电缆系统缆芯温度难测，故障定位复杂。本文提出基于分布式光纤测温技术的解决方案，通过嵌入测温光纤实时监测缆芯温度。分析不同位置温度分布，识别接近预警阈值的区段，实现早期预警和精确定位，提升电缆运行可靠性。

1分布式光纤测温系统原理

分布式光纤测温系统，通常称为内置光纤测温系统，是一种能够实时、在线、连续监测温度的先进系统。该系统融合了后向拉曼散射原理和光时域反射技术，实现了光信号的生成、光谱分析、光电转换、信号放大及处理等多项功能。它采用特制的感温光缆作为温度感应器，能够精确地测量并定位沿光缆铺设路径上各点的温度，包括温度异常点。该系统以其卓越的性能指标和稳定性而著称。

集计算机技术、光纤通信、光纤传感和光电控制等尖端技术于一身，分布式光纤测温系统不仅具有本质安全特性，还具备耐腐蚀性和抗电磁干扰能力。它能够对长距离和大范围的环境温度进行持续监测，为电力、石油、交通、煤矿等行业提供了高效的温度监测解决方案。

2分布式光纤测温系统硬件设计

2.1系统硬件结构设计

分布式光纤测温系统主要由光泵浦模块、光路模块、传感光纤模块、光信息接收器、数据处理器以及温度控制系统等部分构成，其硬件系统结构示意图如图1所示。

图 1 系统硬件结构示意图

1）系统光源

本系统采用半导体激光器作为光源，其核心参数包括中心波长为841nm，峰值电流为4A，以及峰值功率达到1488mW。

2）系统光路设计

光路系统是硬件系统的关键组成部分之一，它负责激光器泵浦激光在系统内的传输路径以及拉曼散射光的传播路径。分布式光纤测温系统的光路结构设计如图2所示。

图 2 系统光路连接图

在获取电压信号之后，通过A/D转换电路将这些信号转换为数字形式，并将其传输至计算机。在计算机软件的精确控制下，对拉曼散射的两种光信号电平值进行相应的转换处理。经过计算和标定，最终得到精确的温度读数。

3）数据采集模块设计

分布式光纤测温系统的数据采集与处理环节，主要由光电转换电路和信号采集处理两个部分构成。在光电转换部分，核心组件包括光电敏感材料和运算放大器。设计的光电转换电路原理图详见图3。

图 4 光路转换电路图

模数转换芯片AD采用雪崩光电探测器和高精度运算放大器，具备高响应度、速度、带宽、可靠性和稳定性，满足系统信号转换需求。该芯片为精密双运算放大器，低失调电压。拉曼散射光通过光电转换，A/D探测信号光强驱动电流信号，芯片作为恒流源驱动放大电路。通过外接电阻将电流信号转换为电压信号，经两级放大处理，光强完全转换为电压信号。

4）网络接口电路设计

网络接口作为分布式光纤测温系统与上位机计算机软件的重要数据传输通道，意义较为重大。

2.2软件系统设计

本文采用Windows XP系统软件平台，基于Web框架构建的系统平台软件，具备内嵌的智能分析模块和基础功能模块，包括系统总界面模块、温度和电流数据采集模块等。

1）系统总界面设计

系统主界面集成了多项功能，包括数据分析、历史数据分析、实时数据展示、关键参数高亮显示以及故障预警提示。这些功能为电缆运维人员提供了关键参数的显著展示，并确保敏感的异常数据能够及时弹出警告。

2）数据采集模块

采集的温度和电流参数实时地以曲线形式展示在系统界面上。系统还提供了历史数据回顾功能，便于进行分析和总结，同时实时曲线能够对电缆接头等关键敏感位置进行有效标记。

3应用场景

3.1系统应用

分布式光纤测温系统能够实时监测电缆过载、导体高温以及温度异常突变可能造成的风险隐患，并自动产生日常巡检报告。系统能够精确识别单相短路、相间短路以及外力造成的破坏性故障，并具备故障定位、导航以及提供抢修方案指引的功能。运维人员可以利用手机APP随时查看电缆的运行状况、安排和跟踪运维抢修工作的进度。物联网的拓扑结构如图5所示。

图4 物联网拓扑结构图

3.2故障定位及预警应用

分布式光纤测温系统已现场应用，可精确定位和导航电缆故障点，迅速识别具体位置。故障时，系统自动确定故障点，通过手机APP导航信息给指定人员，减少人力物力投入。提升维修效率，缩短恢复供电时间。电缆线路运行以经纬度标注在电子地图，记录敷设环境。系统监测导体内部温度突变，提前发现潜在风险点，锁定隐患位置，制定巡视和跟踪计划，预防故障发生。

4 安科瑞分布式光纤测温系统

4.1分布式光纤测温原理

激光器发射出高功率的光脉冲。当这些光脉冲在光纤中传播时，会发生散射现象。其中，带温度信息的拉曼散射光会返回到光路耦合器。光路耦合器不仅能够将光脉冲直接耦合到传感光纤，还能将这些散射回来的、波长不同于发射波长的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由两个不同中心波长的光滤波器构成，用于分离斯托克斯光和反斯托克斯光光信号。这两路光信号随后被接收机进行光电转换和放大处理，再由数据采集单元进行高速数据采样并转换成数字信号。最终，通过进一步的信号处理，这些数据被用于计算温度。

4.2应用场景

4.3 分布式光纤测温应用示意图

1）电力电缆测温

配电母线槽测温

管道泄露仓储温度监测

4.4分布式光纤测温主机装置技术指标

4.5分布式光纤测温系统的功能

报警功能：包括定温报警、区域温差报警、温升过快报警、断纤报警以及装置异常等多种报警机制。

可视化大屏显示功能：可展示全程分区图、温度分布曲线，并实时显示重点监测点的温度随时间变化曲线。

查询功能：可查询和显示历史数据；用户可以直接在系统图上查询设备信息、运行参数、统计信息等。

分析功能：提供历史趋势显示，并对未来趋势进行评估，为检修提供参考信息。

4.6分布式光纤测温系统的优点

实时监控：本系统对指定区域的温度实施全天候（7×24小时）实时监控，可迅速识别并精确定位任何温度异常，确保早期预警。

分布式监测：采用分布式测温技术，系统能够提供连续的动态监测信号，实时捕捉被监测物体上每隔1米（或5厘米）各点的温度变化。

技术先进：光纤既作为信号传输介质，也用于温度检测，实现了通信与传感的融合。通过选用不同的外护套材料，系统能够适应各种环境条件。

测量精准：系统具备高精度测温能力，精度可达±0.05℃，同时定位精度可达0.05米。

操作灵活：系统功能的设定通过主机上的应用软件完成，支持设置多级温度报警阈值，并可根据不同环境进行调整。每个报警区域均可独立编程，并可根据用户需求定制。

扩展性强：系统支持对多路光纤同时进行测量，用户可根据实际需求选择不同路数的设备，包括4路、8路、12路和16路等配置。

兼容性佳：系统兼容以太网口和RS485接口，能够向终端用户提供分区、温度及报警信息。

耐用性长：在不受外力破坏的情况下，铠装感温电缆的使用寿命可长达25年。

操作简便：可提供直观、简洁明了的可视化显示界面，不会给用户带来额外的管理成本。

本质安全：系统具备本质安全特性，包括防爆、抗强电磁干扰、防雷击等。

4.7分布式光纤测温系统应用示例

5.结语

分布式光纤测温系统包含了分布式光纤测温主机和智能运维管理平台，系统平台基于分布式光纤测温技术实现电缆线路的运行状态监测和故障预警及定位。在线路故障时能快速生成故障点位置信息发送给运维人员，在线路正常运行时能实时分析运行状态，提前感知隐患点，从而整体提高电缆线路运行的可靠性。

参考文献

【1】胡冉，厉冰，叶文忠.基于分布式光纤测温的智能电缆测控系统

【2】安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.