分布式光纤温度传感器在电缆隧道中的应用

　　摘要：文章探索了分布式光纤温度传感器（DTS）在电缆隧道中的应用，实验结果显示分布式光纤温度传感器能够在电缆隧道温度监测方面进行很好的应用。系统温度范围：-40℃～85℃，测温光纤长：1.8km，测量温度精度：±1℃，空间分辨率：1.5m，为电缆隧道温度监测提供了科学依据。

　　关键词：分布式光纤温度传感器；电缆；隧道；温度监测；拉曼散射

　　中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：2095-2945（2018）03-0119-03

　　1概述

　　电网作为城市生命线工程系统的基础设施系统，由于涉及千家万户用电需求，是维持国民生产、生活的基础。安全运行为第一要务。因为系统一旦失效，将造成广泛的社会困难和巨大的经济损失。电网中电缆、高压开关柜、电缆接头等位置处的环境温度是影响电力系统运行的重要参数，环境温度参数过高或过低都不利于电力系统的安全运行。为确定系统最佳的和最安全的载流能力，须对电力设备环境温度进行实时监测。

　　传统的测温方法采用的是电式温度传感器，电式温度传感器只能单点监测待监测区域的温度，对大范围大区域的电缆温度监测，监测的位置呈点状分布，无法完整的监测电缆的每一个位置。分布式光纤温度传感器[1]可将传感光缆位置处的每一点温度都探测出来，传感光缆沿电缆敷设，就可以对电缆进行全方位的温度监测，分布式光纤温度传感器具有连续分布式测量、抗电磁干扰、本征防雷、测量距离远、测量精度高、寿命长，成本低，系统简单等特点，可以24小时实时在线监测电缆温度，为电缆安全监测提供温度数据。

　　2分布式光纤温度传感器的基本原理[2，3，4]

　　激光脉冲入射到光纤中后，在传播的过程中与光纤相互作用，会发生非线性散射，包括布里渊散射和拉曼散射。按照量子力学的观点，可以将拉曼散射看成入射光和介质分子相互作用時，光子吸收或发射一个声子。

　　当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤的始端，每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

　　反斯托克斯[3]拉曼背向散射光的光通量可以表示为：

　　其中：？准e为入射到光纤的激光脉冲的光通量，？准S、？准a为斯托克斯光、反斯托克斯光光通量，KS和Ka为和光纤的斯托克斯散射和反斯托克斯散射截面有关的系数，S为光纤背向散射因子，vS、va为斯托克斯、反斯托克斯光的频率，L为激光在光纤中传播的距离，？琢0、？琢S、？琢a为入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纤中的平均传输损耗，RS（T）、Ra（T）为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，是斯托克斯拉曼背向散射光与反斯托克斯拉曼背向散射光的温度调制函数。

　　由式（1）和式（2）相除得到：

　　在标定光纤温度为T0时，待测光纤的温度为T时，可推知：

　　在实际测量中，只要测出？准a（T）、？准S（T）、？准a（T0）、？准S（T0）经光电探测器探测出来的电平值，就能得出空间温度场中的温度T。

　　3分布式光纤温度传感器电力隧道应用

　　3.1系统组成

　　光纤测温系统，包含DTS测温主机、分布式光纤和后台软件；其中DTS测温主机使用6公里6光通道，每个通道分别覆盖各回路电缆及隧道内的环境温度；DTS监控主机通过内部网络，将监测数据输出给监控后台，监控后台完成核心的分析和监测功能。

　　3.2总体方案

　　在xx工程电缆隧道，由主隧道和分支隧道组成，全长共计1792m，110kV电缆6回路，220kV电缆4回路安装分布式测温光纤，每个回路中铺设测温光纤；对电缆接头部分重点检查，电缆接头处的传感光缆布设采用双环形缠绕方式，以便确保传感光缆和电缆接头紧密贴合，传感光缆能够快速感知电缆接头处的温度，双环形缠绕方式所需的传感光缆应大于6m。传感光缆的捆扎方式为固定式，扎带的间距为1m，传感光缆敷设在电缆表面，传感光缆每隔50m设置一个标识牌，标识传感光缆的位置及相应的防区，方便工作人员能够准确的找到异常温度点的传感光缆位置。在有效的长度内多采集温度监测点，达到双重保证的效果。

　　本应用中测温主机安装在隧道旁工作室内机柜中，各主机通过通讯光纤联网接到系统监测中心（PC机）。

　　电缆沟探测光纤每隔300m挂设标牌，标识测温光纤起止点变电站站名、测温光纤距起点长度，每隔500m预留5m余量的光纤环，便于后期维护处理。对于单芯或者多芯电缆，传感光缆通过扎带固定在电缆的顶面，安装效果如图2。

　　固定传感光缆使用的扎带需要根据具体的工作环境来选择，扎带的间距一般为1m，也可根据具体环境适当调整。传感光缆的捆扎应该保证传感光缆和待测电缆紧密贴合，这样传感光缆能够在第一时间感知到电缆的温度变化，从而在及时预防和排查问题电缆，保障电力系统的安全运行。

　　3.3测温光缆

　　本系统采用的是消防用铠装测温光缆，消防用铠装测温光缆是把传感光纤放在一根不锈钢螺纹管内，螺纹管外面采用凯夫拉紧密缠绕加强和不锈钢丝紧密编织加强，外层采用阻燃LSZH护套防护。消防用铠装测温光缆纤芯为满足国际标准的多模光纤芯，具备很好的拉曼散射特性。

　　3.4测温实验

　　对于分布式光纤温度传感器[5][6]，我们可以按照实际情况设定报警区间长度，还可以给不同的报警区间设置不同的报警温度，这样可以在一些地方进行着重监测。当待测温度场区域温度发生变化时，可以按照不同报警区间给出空间温度曲线，或者给出火灾报警信号。光缆发生故障，比如断裂、受压扭曲时，依然可以通过系统给出故障信号，从而进行修复处理。本工程中，主隧道和分支隧道总长1792m，分区数10个。不同的分区可以设置不同的报警条件。

　　分布式光纤温度传感器主要就是监测电缆通道的环境温度，设置预警值为40°，如果环境温度达到40°，实验显示每次采集后系统都会发出预警。此时，打开逃生通道的排风扇。如果温度升高，系统显示的温度也会升高（相反温度降低，系统显示的温度也会降低）。温度快速升温或者实测达到70°之后火灾报警。图4为分布式光纤温度传感器在电缆隧道实测的温度曲线图，可以看出，系统的报警功能是符合实际要求的。

　　4结束语

　　分布式光纤温度传感器为电缆隧道提供了一种全新的监测手段，特别对于高压电缆温度实时在线测量具有重要意义。实验结果显示分布式光纤温度传感器具有相当高的可靠性和温度精确性，并且测量时间特别短。实验取得了较为良好的结果，系统温度范围：-40℃～85℃，温度监测距离1.8km，测温精度±1℃，定位精度：1.5m。分布式光纖温度传感器长距离大范围的监测特点特别适用于电缆的温度监测，系统本征安全，抗电磁干扰，使用寿命长。目前分布式光纤温度传感器已经在国内逐步推广使用，获得了广泛好评，未来分布式光纤温度传感器，在电缆隧道的监测中将会产生越来越重要的作用。

　　参考文献： 

　　[1]张磊，冯雪，张巍，等.1.66微米和1.55微米光源对长距离光纤拉曼温度传感器测量时间影响的理论对比[J].光子学报，2009，38（11）：2805-2808. 

　　[2]耿军平，许家栋，李焱，等.基于光频域喇曼散射的全分布式光纤温度传感器模型研究[J].光子学报，2002，31（10）. 

　　[3]张悦，张记龙，李晓，等.光纤中拉曼散射回波超高灵敏度探测技术研究[J].光谱学与光谱分析，2009，28（5）：1300-1303. 

　　[4]张在宣，张步新，陈阳，等.光纤背向激光自发拉曼散射的温度效应[J].光子学报，1996，25（3）：273-278. 

　　[5]张在宣.光纤分子背向散射的温度效应及其在分布光纤温度传感网络上应用研究的进展[J].原子分子物理学报，2000，17（3）：559-565. 

　　[6]张利勋，廖云，欧中华，等.分布式光纤拉曼温度传感器的对称解调[J].光学学报，2007，27（3）：400-403. 

　　[7]张胜姣.光纤分布式温度监测系统在隧道火灾监控中的应用[J].科技创新与应用，2012（14）：24. 

    作者：李陆君