郝學(xué)磊，陳 鵬，王鯤鵬，呂 琨

（1．聊城供電公司，山東 聊城252003；2．威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司，山東 威海264209）

0 引 言

電纜整體和電纜接頭的溫度，一直以來是監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。電纜中間接頭是整條電纜結(jié)構(gòu)最為薄弱，事故率最高的環(huán)節(jié)。隧道內(nèi)電纜密集、交叉疊放，一旦失火會(huì)發(fā)生立體式的關(guān)聯(lián)燃燒。雖然隧道內(nèi)環(huán)境封閉，但由于電纜豎井的存在，使得隧道內(nèi)形成抽風(fēng)，火勢(shì)迅速擴(kuò)大，產(chǎn)生濃烈的煙霧和有害氣體。隧道內(nèi)地方狹小，大量的煙霧氣體無法排除，同時(shí)給消防人員迅速撲滅火源，進(jìn)行電力搶修帶來極大的困難。電纜損壞危害極大，造成的影響難以估量，有必要進(jìn)行全方位在線監(jiān)測(cè)，避免此類事故的發(fā)生。常規(guī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)無法全面監(jiān)控如此長(zhǎng)度的對(duì)象。而分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的出現(xiàn)，解決了這一問題。該技術(shù)使用一根光纖即可完成對(duì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里電纜的監(jiān)測(cè)。因此，光纖測(cè)溫技術(shù)在電力電纜中被廣泛應(yīng)用。

1 分布式光纖測(cè)溫技術(shù)原理

光纖測(cè)溫的基本流程為：使用光纖作為溫度的測(cè)量和傳輸載體，向光纖中發(fā)射光脈沖，光纖中的介質(zhì)將后向傳遞一小部分散射光。這部分散射光中，選取拉曼散射光作為監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行分析。拉曼散射光包含Stockes和AntiStockes兩種光波，其中斯托克斯光與溫度無關(guān)，而反斯托克斯光隨溫度變化而變化，使用兩種光波之比和溫度的定量關(guān)系，可求得溫度：

式中，T為絕對(duì)溫度，單位K；h為普朗克常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；IS、IAS為斯托克斯和反斯托克斯光強(qiáng)度，單位S－1／sr；f0、Δf 為伴隨光頻率及頻率增量，單位S－1。

通過對(duì)散射光的快速采集，使用光時(shí)域反射原理（OTDR）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的位置，得到光纖上每個(gè)點(diǎn)的溫度信息，即可完成對(duì)象溫度監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件圍繞如何獲取Stockes和AntiStockes光強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由高壓電源、脈沖調(diào)制信號(hào)電路和半導(dǎo)體激光器LD組成的發(fā)射組件，分光模塊和光電檢測(cè)器APD組成的光接收組件，以及放大電路和采集卡組成的采集組件三部分構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

分光模塊將背向散射回波分成Stockes和AntiStockes光；光電檢測(cè)器使用高靈敏度的雪崩二級(jí)管。采集卡使用累加器和濾波模塊，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進(jìn)行輸出，上位計(jì)算機(jī)根據(jù)采集卡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最終得到溫度信息。

其中，半導(dǎo)體激光器（LD）電路設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 半導(dǎo)體激光器高速驅(qū)動(dòng)電路

半導(dǎo)體激光器組件中，有一個(gè)施密特觸發(fā)器位于場(chǎng)效應(yīng)管左邊，觸發(fā)脈沖以上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)施密特觸發(fā)器。半導(dǎo)體激光器在高頻脈沖的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下工作時(shí)的熱功耗較小，足以保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定的工作。

3 系統(tǒng)軟件技術(shù)

除了使用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)獲取溫度之外，系統(tǒng)針對(duì)電纜監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，定制了專門用于電纜溫度在線監(jiān)測(cè)的軟件架構(gòu)和軟件功能。

軟件分別運(yùn)行在分布式光纖測(cè)溫儀以及遠(yuǎn)端的工控主機(jī)上，用于數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算以及報(bào)警顯示。系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖3。

（1）檢測(cè)電纜的沿線溫度變化情況。

（2）按照電力行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)溫度設(shè)置報(bào)警。報(bào)警數(shù)據(jù)可在軟件中設(shè)置，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)或區(qū)域應(yīng)能獨(dú)立設(shè)置預(yù)警及報(bào)警參數(shù)，各測(cè)溫點(diǎn)及區(qū)域應(yīng)能獨(dú)立報(bào)警，不同報(bào)警方式可以交叉設(shè)置。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

（3）建立溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，可查詢某測(cè)溫點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)溫度曲線數(shù)據(jù)，并可以用Excel表格形式導(dǎo)出。對(duì)各測(cè)溫點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，形成日、月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表。

（4）通過與上層監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行軟硬件對(duì)接，可將溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)上傳到上層監(jiān)控平臺(tái)，便于監(jiān)控平臺(tái)的統(tǒng)一讀取和調(diào)用。

（5）基于軟測(cè)量技術(shù)的電纜導(dǎo)體溫度計(jì)算功能。

4 系統(tǒng)工程應(yīng)用

聊城110 kV鳳凰臺(tái)變電站的高壓電纜，因負(fù)荷較高，為避免電纜尤其是接頭處的絕緣老化，造成短路等事故，目前采用對(duì)電纜及電纜接頭安裝敷設(shè)探測(cè)光纜的方式，使用電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)電纜夾層室到電纜隧道中長(zhǎng)約800 m的區(qū)域進(jìn)行分布式在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)聯(lián)動(dòng)消防滅火系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)到溫度上升到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)超級(jí)干粉滅火器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，保證事故被控制在一定的范圍之內(nèi)。通過檢驗(yàn)，系統(tǒng)在完全滿足溫度精度±1℃的前提下，保證測(cè)量精度1 m的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)通過精確測(cè)量?jī)蓚?cè)電纜表皮溫度，發(fā)現(xiàn)故障及潛在故障位置，減小了電纜運(yùn)維成本，儀器本身施工和維護(hù)的成本也較為低廉，極大地解決了電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的難題，可廣泛應(yīng)用于變電站和電力隧道的電纜溫度監(jiān)控，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供保障。

［1］ 黃民雙，陳偉民，黃尚廉．光纖中光散射及在分布式傳感技術(shù)中的應(yīng)用［J］．傳感器技術(shù)，1995，（2）：49－51．

［2］ 畢衛(wèi)紅，張燕君，齊躍峰，等．光纖通信與傳感技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

［3］ 鄒 建．分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，2005，（3）：3－4．