电缆分布式光纤测温系统的应用-电子发烧友网

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。