应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术

摘　要: 光纤分布式测温技术是一种利用激光在光纤中的传播特性，实现实时测量空间温度场分布的新技术。它能对光纤沿线的温度场进行分布式的连续检测。 本文介绍了该技术的测温原理，以及其在高压输电电缆内部温度监测方面的应用，并介绍了光纤安装方式对测温精度的影响。

　　关键词: 高压电缆; 光纤; 分布式温度传感; 光时域反射

1前言

　 　分布式温度传感(DTS:distributed temperature sensing)技术是一种用于实时测量空间温度场分布的传感技术。该技术利用光时域反射(OTDR:optical time domain re flectometry)原理、激光喇曼光谱原理，经波分复用器、光电检测器等对采集的温度信息进行放大并将温度信息实时地计算出来［1］。目前，国外 (主要是英国、日本等国)已利用激光喇曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品［2］，而国内也在积极 地开展这方面的研究工作，现已研制成功基于分布式光纤温度传感原理的一系列产品，可广泛应用在航空航天、石油测井、电力、冶金、煤矿等领域中［3］。国内把分布式光 纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的研究工作只是刚刚开始。

　　分布式光纤传感技 术具有抗电磁场干扰、工作频率宽、动态范围大等特点，它能够连续测量 光纤沿线各点的温度，目前，国外产品的测量距离可在1~30km范围内，空间定位精度达到1m之内，温度分辨率达到1℃［4，5］。其能够进行不间断的自 动测量的特点，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。由于这种光纤传感技术采用的是普通光纤，因而，其在高压电力电缆载流量的动态计算（用缆芯温度间接反映），长距离电缆接头处的温度监测以及电缆发生断线故障时断点位置的测量等场合具有广泛的应用前景。

2光纤分布式温度传感原理

　 　光纤温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射(OTDR)原理以及光纤的后向喇曼散射 (raman scattering)温度效应［6］。当一个光脉冲从光纤的一端射人光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播。因光纤内壁类似镜面，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的关系。反射点的温度 (光纤所处的环境温度)越高，反射光的强度也越大。也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。



　 　用公式来表达：当频率为ν0的激光入射到光纤中，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波中除了有一条与入射光频率ν0相同的 中心谱线之外，在其两侧，还存在着(ν0-Δν)及(ν0+Δν)的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线，低频一侧频率为(ν0-Δν)、波长为λs的谱线称为斯托克斯线(st ocks)，高频一侧频率为(ν0+Δν)、波长为λa的谱线，称为反斯托克斯线(A ntistokes)。根据喇曼散射理论，在自然喇曼散射条件下，两束反射光的光强与温度有关。为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度，在系统设计中，采用双通道双波长比较的方法，如图1所示，即对AntiStocks光和Stock s光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号。由于AntiStocks光对温度更为灵敏，因此，将AntiStocks光作为信号通道， Stocks光作为比较通道，则两者之间的强度比为［7］
　　
式中：λs和λa分别为Stocks和AntiStocks光波长；h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为玻尔兹曼常数；ν0为入射光频率；T为绝对温度。

　 　从式(1)中可以看出，R(T)仅与温度T有关，而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。因此，借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光 强之比值可以实现温度的测量。另外，利用OTDR技术，还可以根据激光后向散射信号在光纤中的损耗来监测光纤的故障点和断点的位置，进而获知电缆断线的有关信息。

3光纤分布式测温的实现方法

　　如图2所示的结构图可用来实现上述的光纤分布式测温原理［8］。在同步控制 单元的触发下，光发射机产生一大电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光器产生大功率的光脉冲，并注入激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲要经过光路耦合器后进入一段放置在恒温槽中的光纤（用于系统标定），然后进入传感光纤。当激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的喇曼后向散射光将返回到光路耦合器中，光 路耦合器不但可以将“发射机”产生的光脉冲直接耦合至传感光纤，而且还可以将散射回来的不同于发射波长的喇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组成，它们分别滤出Stocks光和AntiSt ocks光，两路光信号经过接收机时进行光电转换和放大，然后由数据采集单元进行高速数据采样并转换为数字量，最后经过对信号进一步处理（提高信噪比），用于温度的计算。



　　根据式(1)可以得到
　　
因而，在测温系统标定后，通过测定R(T)，利用已知温度T0下的光强之比R(T0)，根据后向光波的传播时间，就可以确定沿光纤各测量点的温度值。

4光纤安装位置对测温精度的影响

　　电缆光纤分布式测温技术的核心问题是要提高测温精度，而温度测量的精度需要考虑入射光 强度、系统噪声、喇曼散射系数、叠加次数与温度分辨率等几个方面的因素［9］。另外，光纤的安装方式对温度测量的精度也有着直接影响。

　 　光纤的安装方法通常有两种，一种是表贴式，另一种是内绞合式，以110kV线路中使用的三芯电缆为例，示意图如图3所示。这两种光纤安装方法在温度测量 上有各自的优点和缺点。在图4中［10］，图4(a)所示的是美国奥克兰地区1999年6月份的用电量分布图，其中选定该地区6月份的平均日用电量为基准值；而图4(b)所示为6月份在两种光纤安装方式下所测温度的分布图。从图中可 以看出，与绑缚在电缆表面的光纤相比，安装在电缆内部的内绞合光纤能够对负载的变化做出更快的响应。而绑缚在电缆表面的光纤（表贴光纤）由于受到电缆外界环境以及电缆本身绝缘屏蔽层的影响，几乎无法真实地跟踪负载的实时变化情况，其仅能反应电缆周围环境的温度变化情况。

　　因而，在理想情 况下，光纤应被置于尽可能的靠近电缆的缆芯的位置来更精确地测量电缆的实际温度。但是，为了接近缆芯而破坏电缆绝缘层的方法是不实用的，而将光纤作为电缆的一部分，在加工电缆时就预埋进去的方法将会使得光纤不得不经受一些高压电缆的制造程序中可能包括的高温挤压和各种各样的弯曲操作，这种方法会大大提高电 缆的制造加工成本。目前，国外一些生产厂家所使用的加工方法是，将一根具有良好柔韧性的空管子装在电缆内部或者是在电缆安装好后固定在电缆表面，然后把光纤吹入空管子中。按照这种方法，光纤的安装将不受电缆的制造和安装过程的支配，而且可以极为方便地对光纤进行更换。该方法使光纤传感元件不会受到任何由于电缆加工或者安装造成的弯曲变形的影响。




　　对于直埋动力电缆来说，表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化，但是其对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感，而且能够减少光纤的安装成本。

5结论

　 　光纤分布式温度传感作为一种高新技术能对电力系统中的高压电缆进行全线的实时温度监测。该技术在地下电缆网络系统中所出现的温度奇异点的识别、系统实时 负载能力的计算、电网短期超负荷能力的计算、电缆的载流量最优化配置以及实现负荷的经济调配等方面具有广泛的应用前景。