分布式线型光纤感温探测器在电力电缆运行状态监测中的应用

分布式线型光纤感温探测器在电力电缆运行状态监测中的应用

邓俊麒

重庆川东电力集团有限公司 重庆 涪陵 408000

摘要：电力电缆作为电能输送线路，特别是工矿企业，应用十分广泛。电力电缆运行受温度的直接影响，如在高温情况下，加速电缆的劣化，甚至引发电气火灾等事故，造成电力供应中断。基于此，以下对分布式线型光纤感温探测器在电力电缆运行状态监测中的应用进行了探讨，以供参考。

关键词：分布式线型光纤感温探测器；电力电缆运行状态监测；应用

引言

基于光纤的分布式声波传感器（DAS）是一种利用光纤中的后向瑞利散射（RBS）来定位和恢复光纤链路上的任意位置处机械振动信息（振幅、相位和频率）的技术。由于机械振动通常能够在介质中传播很远，DAS能够检测远离光纤的事件；基于光纤的低损耗特性，传感光纤的长度可达数千米至上百千米，因此DAS系统的探测覆盖范围非常广；DAS的振动检测带宽可高达数十千赫兹，可以包含待测事件的丰富信息；传感光缆具有本征安全、抗电磁干扰、耐恶劣环境等优势。

1分布式光纤感测技术原理（BOFDA）

基于BOFDA（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）的光纤传感技术作为一种新型监测手段，它的提出对21世纪传感技术的深入发展具有一定的意义，并一直发展至今。实现了基于测点位置检测的传递函数；充分考虑了探头的复杂幅度和泵浦光传输，2个反向传播的光波与光纤内的声波相互作用，背向散射光会发生频移，这取决于沿光纤传感器的应变和温度分布。BOFDA分析仪通过与光信号的幅度和相位进行比较来计算复数传递函数。该函数通过逆快速傅立叶变换进行转换。光纤沿线上任一点出现轴向应变变化或温度变化时，布里渊频移量会发生相对变化，布里渊分析仪的频移量与待测物体的应变变化量和温度变化量有着良好的线性关系。所以，通过BOFDA设备测试端所测的布里渊频移量可推断出待测物体的应变值和温度值。当泵浦光与探测光分别从两端入射时会发生反射，两者之间会出现一定的频率差，这个频率差被称为布里渊频移。检测器用于确定探测光和泵浦光每个频率下的信号强度值。检测器的输出信号输入到基于光基带传输功能的网络分析仪。经过快速傅里叶逆变换转换后的网络分析器的输出信号传递到BOFDA设备终端。

2分布式线型光纤感温探测器特点

通过梳理分布式线型光纤感温探测器构成及其运行方式，可以发现其具有以下特点：1）分布性。分布式线型光纤感温探测器每个通道既可作为一个独立测温系统，完成某一区域内一定长度的电缆测温，又可作为一个大测温系统的构成单元。整个测温系统功能由各个测温通道实现，按区域划分具有分布性特征。2）自治性。由于分布式线型光纤感温探测器每个通道均有自身系统构架，如独自的光源收发系统，在电力电缆温度数据反馈上具有一定独立性。而一般情况下，各个分布式线型光纤感温探测器在整个系统中地位平等，所以分布式线型光纤感温探测器能够依据此特性，一方面共享线路中的测温数据，另一方面进行自治工作。3）并行性。简而言之，分布式线型光纤感温探测器可将各通道传递至主机，进行温度数据的实时判别。4）全局性。分布式线型光纤感温探测器系统必然存在一个单一的、全局的进程通信机制，保障任何一个节点的测温情况能够与其他节点进行通信，这一过程不区分本地通信与远程通信。此外，分布式线型光纤感温探测器还存在全局保护机制，如CPU所运行的同类内核等。

3分布式线型光纤感温探测器在电力电缆运行状态监测中的应用

3.1应变分辨率

DAS系统中，解调仪实际检测的对象是外界振动引起的光纤应变变化，因此应变检测的分辨率可以用于评估DAS解调仪系统的灵敏度。在相位解调方案中，应变的分辨率由检测瑞利散射相位信息时的噪声水平决定，该噪声有两个主要来源：一个是激光自身的相位噪声；另一个是利用瑞利散射信号的强度计算其相位时，强度信号的噪声引起的计算误差。探测到的激光脉冲的相位噪声会直接叠加到后向瑞利散射光的相位信息中，与振动引起的相位变化混到一起。数值仿真表明，该项噪声的大小正比于激光光源的线宽，正比于脉冲持续时间的平方根，因此理论上窄线宽激光光源和短探测脉冲有助于抑制光源引入的相位噪声。但是在典型的基于OTDR的DAS系统中，所采用的光纤激光器线宽可以达到1kHz，脉冲持续时间在100ns（对应的空间分辨率为10m）左右时，光源相位噪声对应变灵敏度的贡献可以忽略。但是在TGDOFDR和OFDR系统中，由于脉冲的持续时间相比OTDR有数量级的增加，此时激光器相位噪声的影响开始占据主导地位。

3.2感温光纤的固定、防护的设计

感温光纤采用夹持的方式固定在加热模块中，如图２所示。加热模块由集线盒、阻燃层、硅橡胶加热片、温度变送传感器、热辐射片、硅橡胶垫、隔离层组成。硅橡胶加热片、硅橡胶垫分别嵌入上、下阻燃层的凹槽内，感温光纤穿过凹槽放置于硅橡胶加热片和硅橡胶垫之间。上、下阻燃层通过螺丝固定后夹紧光纤，如图３所示。光纤与硅橡胶加热片紧密接触，同时硅橡胶垫发生形变保护光纤不被过度挤压。在硅橡胶加热片覆上一层铜片作为热辐射片，利用铜片良好的导热性使热量分布更均匀。阻燃层采用改性树脂玻璃纤维材质，阻燃等级达到ＵＬ９４Ｖ－１级，可在２００℃下长时间工作。树脂玻璃纤维还具有良好的绝缘性和隔热性，在加热过程中可起到保温作用，提高加热效率。利用树脂玻璃纤维良好的机械加工性能，在阻燃层上加工出沟槽，将加热片、温度变送传感器、信号线路、电源线路完全埋设在阻燃层中，使加热模块更安全、可靠。集线盒为防水密封盒，其中安装温度变送传感器变送电路和接线端子，信号、电源线路通过接线端子连接到集线盒Ｍ１２航空插座，再由航插线缆连接到本地控制模块上，使加热模块电气部分具备良好的防护性能，适应电缆隧道高湿、凝露工作环境。

3.3DTS装置的现场校准

对于分布式光纤温度传感器,由于厂家、型号和批次等参数差异造成的影响,建议在投运前或定期进行现场校准,以确定其温度响应系数。常用的温度标定方法是通过提升硬件条件或改进算法,利用恒温装置设定一定范围内的离散温度点,记录分布式光纤温度传感器与标准温度计等的对比关系,对各点标准温度和分布式传感光纤传感器测量数据进行数据拟合处理,获得温度响应系数,以此来提高DTS测温准确度。由于电缆正常运行时导体允许的长期最高温度为90℃,运行中电缆导体产生的热量经热路模型传递后,实际电缆外护套温度会较电缆导体温度更低。因此建议现场DTS装置在常温和高温(60~70℃)两种温度水浴内通过数据拟合的方式进行校准和标定,提高DTS装置现场校准的可操作性。

结束语

为确保光纤的有效性，电缆运维班组需定期对光纤测温系统进行通断和准确性检测。目前的检测方式为热浴测试，即由人工将光纤浸泡于热水中加热，再从感温光纤监控主机端查看光纤的通断和测量的准确性。

参考文献

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