分布式光纖溫度傳感器在電纜隧道中的應(yīng)用.doc

分布式光纖溫度傳感器在電纜隧道中的應(yīng)用 摘要：文章探索了分布式光纖溫度傳感器（DTS）在電纜隧道中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示分布式光纖溫度傳感器能夠在電纜隧道溫度監(jiān)測方面進(jìn)行很好的應(yīng)用。系統(tǒng)溫度范圍：-4085，測溫光纖長：1.8km，測量溫度精度：1，空間分辨率：1.5m，為電纜隧道溫度監(jiān)測提供了科學(xué)依據(jù)。 關(guān)鍵詞：分布式光纖溫度傳感器；電纜；隧道；溫度監(jiān)測；拉曼散射 ：TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A：2095-2945（2018）03-0119-03 1概述 電網(wǎng)作為城市生命線工程系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，由于涉及千家萬戶用電需求，是維持國民生產(chǎn)、生活的基礎(chǔ)。安全運(yùn)行為第一要?jiǎng)?wù)。因?yàn)橄到y(tǒng)一旦失效，將造成廣泛的社會(huì)困難和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)中電纜、高壓開關(guān)柜、電纜接頭等位置處的環(huán)境溫度是影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)，環(huán)境溫度參數(shù)過高或過低都不利于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為確定系統(tǒng)最佳的和最安全的載流能力，須對電力設(shè)備環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。 傳統(tǒng)的測溫方法采用的是電式溫度傳感器，電式溫度傳感器只能單點(diǎn)監(jiān)測待監(jiān)測區(qū)域的溫度，對大范圍大區(qū)域的電纜溫度監(jiān)測，監(jiān)測的位置呈點(diǎn)狀分布，無法完整的監(jiān)測電纜的每一個(gè)位置。分布式光纖溫度傳感器1可將傳感光纜位置處的每一點(diǎn)溫度都探測出來，傳感光纜沿電纜敷設(shè)，就可以對電纜進(jìn)行全方位的溫度監(jiān)測，分布式光纖溫度傳感器具有連續(xù)分布式測量、抗電磁干擾、本征防雷、測量距離遠(yuǎn)、測量精度高、壽命長，成本低，系統(tǒng)簡單等特點(diǎn)，可以24小時(shí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測電纜溫度，為電纜安全監(jiān)測提供溫度數(shù)據(jù)。 2分布式光纖溫度傳感器的基本原理2，3，4 激光脈沖入射到光纖中后，在傳播的過程中與光纖相互作用，會(huì)發(fā)生非線性散射，包括布里淵散射和拉曼散射。按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，可以將拉曼散射看成入射光和介質(zhì)分子相互作用時(shí)，光子吸收或發(fā)射一個(gè)聲子。 當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)，回到光纖的始端，每個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量為： 反斯托克斯3拉曼背向散射光的光通量可以表示為： 其中：？準(zhǔn)e為入射到光纖的激光脈沖的光通量，？準(zhǔn)S、？準(zhǔn)a為斯托克斯光、反斯托克斯光光通量，KS和Ka為和光纖的斯托克斯散射和反斯托克斯散射截面有關(guān)的系數(shù)，S為光纖背向散射因子，vS、va為斯托克斯、反斯托克斯光的頻率，L為激光在光纖中傳播的距離，？琢0、？琢S、？琢a為入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纖中的平均傳輸損耗，RS（T）、Ra（T）為與光纖分子低能級和高能級上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，是斯托克斯拉曼背向散射光與反斯托克斯拉曼背向散射光的溫度調(diào)制函數(shù)。 由式（1）和式（2）相除得到： 在標(biāo)定光纖溫度為T0時(shí)，待測光纖的溫度為T時(shí)，可推知： 在實(shí)際測量中，只要測出？準(zhǔn)a（T）、？準(zhǔn)S（T）、？準(zhǔn)a（T0）、？準(zhǔn)S（T0）經(jīng)光電探測器探測出來的電平值，就能得出空間溫度場中的溫度T。 3分布式光纖溫度傳感器電力隧道應(yīng)用 3.1系統(tǒng)組成 光纖測溫系統(tǒng)，包含DTS測溫主機(jī)、分布式光纖和后臺(tái)軟件；其中DTS測溫主機(jī)使用6公里6光通道，每個(gè)通道分別覆蓋各回路電纜及隧道內(nèi)的環(huán)境溫度；DTS監(jiān)控主機(jī)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出給監(jiān)控后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)完成核心的分析和監(jiān)測功能。 3.2總體方案 在xx工程電纜隧道，由主隧道和分支隧道組成，全長共計(jì)1792m，110kV電纜6回路，220kV電纜4回路安裝分布式測溫光纖，每個(gè)回路中鋪設(shè)測溫光纖；對電纜接頭部分重點(diǎn)檢查，電纜接頭處的傳感光纜布設(shè)采用雙環(huán)形纏繞方式，以便確保傳感光纜和電纜接頭緊密貼合，傳感光纜能夠快速感知電纜接頭處的溫度，雙環(huán)形纏繞方式所需的傳感光纜應(yīng)大于6m。傳感光纜的捆扎方式為固定式，扎帶的間距為1m，傳感光纜敷設(shè)在電纜表面，傳感光纜每隔50m設(shè)置一個(gè)標(biāo)識牌，標(biāo)識傳感光纜的位置及相應(yīng)的防區(qū)，方便工作人員能夠準(zhǔn)確的找到異常溫度點(diǎn)的傳感光纜位置。在有效的長度內(nèi)多采集溫度監(jiān)測點(diǎn)，達(dá)到雙重保證的效果。 本應(yīng)用中測溫主機(jī)安裝在隧道旁工作室內(nèi)機(jī)柜中，各主機(jī)通過通訊光纖聯(lián)網(wǎng)接到系統(tǒng)監(jiān)測中心（PC機(jī)）。 電纜溝探測光纖每隔300m掛設(shè)標(biāo)牌，標(biāo)識測溫光纖起止點(diǎn)變電站站名、測溫光纖距起點(diǎn)長度，每隔500m預(yù)留5m余量的光纖環(huán)，便于后期維護(hù)處理。對于單芯或者多芯電纜，傳感光纜通過扎帶固定在電纜的頂面，安裝效果如圖2。 固定傳感光纜使用的扎帶需要根據(jù)具體的工作環(huán)境來選擇，扎帶的間距一般為1m，也可根據(jù)具體環(huán)境適當(dāng)調(diào)整。傳感光纜的捆扎應(yīng)該保證傳感光纜和待測電纜緊密貼合，這樣傳感光纜能夠在第一時(shí)間感知到電纜的溫度變化，從而在及時(shí)預(yù)防和排查問題電纜，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 3.3測溫光纜 本系統(tǒng)采用的是消防用鎧裝測溫光纜，消防用鎧裝測溫光纜是把傳感光纖放在一根不銹鋼螺紋管內(nèi)，螺紋管外面采用凱夫拉緊密纏繞加強(qiáng)和不銹鋼絲緊密編織加強(qiáng)，外層采用阻燃LSZH護(hù)套防護(hù)。消防用鎧裝測溫光纜纖芯為滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖芯，具備很好的拉曼散射特性。 3.4測溫實(shí)驗(yàn) 對于分布式光纖溫度傳感器56，我們可以按照實(shí)際情況設(shè)定報(bào)警區(qū)間長度，還可以給不同的報(bào)警區(qū)間設(shè)置不同的報(bào)警溫度，這樣可以在一些地方進(jìn)行著重監(jiān)測。當(dāng)待測溫度場區(qū)域溫度發(fā)生變化時(shí)，可以按照不同報(bào)警區(qū)間給出空間溫度曲線，或者給出火災(zāi)報(bào)警信號。光纜發(fā)生故障，比如斷裂、受壓扭曲時(shí)，依然可以通過系統(tǒng)給出故障信號，從而進(jìn)行修復(fù)處理。本工程中，主隧道和分支隧道總長1792m，分區(qū)數(shù)10個(gè)。不同的分區(qū)可以設(shè)置不同的報(bào)警條件。 分布式光纖溫度傳感器主要就是監(jiān)測電纜通道的環(huán)境溫度，設(shè)置預(yù)警值為40，如果環(huán)境溫度達(dá)到40，實(shí)驗(yàn)顯示每次采集后系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出預(yù)警。此時(shí)，打開逃生通道的排風(fēng)扇。如果溫度升高，系統(tǒng)顯示的溫度也會(huì)升高（相反溫度降低，系統(tǒng)顯示的溫度也會(huì)降低）。溫度快速升溫或者實(shí)測達(dá)到70之后火災(zāi)報(bào)警。圖4為分布式光纖溫度傳感器在電纜隧道實(shí)測的溫度曲線圖，可以看出，系統(tǒng)的報(bào)警功能是符合實(shí)際要求的。 4結(jié)束語 分布式光纖溫度傳感器為電纜隧道提供了一種全新的監(jiān)測手段，特別對于高壓電纜溫度實(shí)時(shí)在線測量具有重要意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示分布式光纖溫度傳感器具有相當(dāng)高的可靠性和溫度精確性，并且測量時(shí)間特別短。實(shí)驗(yàn)取得了較為良好的結(jié)果，系統(tǒng)溫度范圍：-4085，溫度監(jiān)測距離1.8km，測溫精度1，定位精度：1.5m。分布式光纖溫度傳感器長距離大范圍的監(jiān)測特點(diǎn)特別適用于電纜的溫度監(jiān)測，系統(tǒng)本征安全，抗電磁干擾，使用壽命長。目前分布式光纖溫度傳感器已經(jīng)在國內(nèi)逐步推廣使用，獲得了廣泛好評，未來分布式光纖溫度傳感器，在電纜隧道的監(jiān)測中將會(huì)產(chǎn)生越來越重要的作用。 參考文獻(xiàn)： 1張磊，馮雪，張巍，等.1.66微米和1.55微米光源對長距離光纖拉曼溫度傳感器測量時(shí)間影響的理論對比J.光子學(xué)報(bào)，xx，38（11）：2805-2808. 2耿軍平，許家棟，李焱，等.基于光頻域喇曼散射的全分布式光纖溫度傳感器模型研究J.光子學(xué)報(bào)，xx，31（10）. 3張悅，張記龍，李曉，等.光纖中拉曼散射回波超高靈敏度探測技術(shù)研究J.光譜學(xué)與光譜分析，xx，28（5）：1300-1303. 4張?jiān)谛?，張步新，陳陽，?光纖背向激光自發(fā)拉曼散射的溫度效應(yīng)J.光子學(xué)報(bào)，1996，25（3）：273-278. 5張?jiān)谛?光纖分子背向散射的溫度效應(yīng)及其在分布光纖溫度傳感網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用研究的進(jìn)展J.原子分子物理學(xué)報(bào)，2000，17（3）：559-565. 6張利勛，廖云，歐中華，等.分布式光纖拉曼溫度傳感器的對稱解調(diào)J.光學(xué)學(xué)報(bào)，x