0引言

電纜是城市配電網電能傳輸的關鍵，其高效可靠運行對系統穩定性至關重要。電纜數量多且地下分布廣泛，故障排除和修復難度大，運維管理繁重。為提升運行環境、供電可靠性和運維效率，需對電纜運行狀況實施有效監控，開展高效故障預警與定位，以提升電纜運行效率。

電纜纜芯溫度是評估電纜線路運行的關鍵指標。目前，主要依賴測溫傳感器測量電纜外護套或緩沖層溫度，并通過計算估算纜芯溫度。計算方法包括IEC60287標準和有限元分析技術。但參數選擇、電纜敷設條件及環境變化等可能影響熱傳遞模型，導致計算結果偏差。

由于電力電纜系統纜芯溫度難測，故障定位復雜。本文提出基于分布式光纖測溫技術的解決方案，通過嵌入測溫光纖實時監測纜芯溫度。分析不同位置溫度分布，識別接近預警閾值的區段，實現早期預警和精確定位，提升電纜運行可靠性。

1分布式光纖測溫系統原理

分布式光纖測溫系統，通常稱為內置光纖測溫系統，是一種能夠實時、在線、連續監測溫度的先進系統。該系統融合了后向拉曼散射原理和光時域反射技術，實現了光信號的生成、光譜分析、光電轉換、信號放大及處理等多項功能。它采用特制的感溫光纜作為溫度感應器，能夠精確地測量并定位沿光纜鋪設路徑上各點的溫度，包括溫度異常點。該系統以其卓越的性能指標和穩定性而著稱。

集計算機技術、光纖通信、光纖傳感和光電控制等尖端技術于一身，分布式光纖測溫系統不僅具有本質安全特性，還具備耐腐蝕性和抗電磁干擾能力。它能夠對長距離和大范圍的環境溫度進行持續監測，為電力、石油、交通、煤礦等行業提供了高效的溫度監測解決方案。

2分布式光纖測溫系統硬件設計

2.1系統硬件結構設計

分布式光纖測溫系統主要由光泵浦模塊、光路模塊、傳感光纖模塊、光信息接收器、數據處理器以及溫度控制系統等部分構成，其硬件系統結構示意圖如圖1所示。

圖 1 系統硬件結構示意圖

1）系統光源

本系統采用半導體激光器作為光源，其核心參數包括中心波長為841nm，峰值電流為4A，以及峰值功率達到1488mW。

2）系統光路設計

光路系統是硬件系統的關鍵組成部分之一，它負責激光器泵浦激光在系統內的傳輸路徑以及拉曼散射光的傳播路徑。分布式光纖測溫系統的光路結構設計如圖2所示。

圖 2 系統光路連接圖

在獲取電壓信號之后，通過A/D轉換電路將這些信號轉換為數字形式，并將其傳輸至計算機。在計算機軟件的精確控制下，對拉曼散射的兩種光信號電平值進行相應的轉換處理。經過計算和標定，最終得到精確的溫度讀數。

3）數據采集模塊設計

分布式光纖測溫系統的數據采集與處理環節，主要由光電轉換電路和信號采集處理兩個部分構成。在光電轉換部分，核心組件包括光電敏感材料和運算放大器。設計的光電轉換電路原理圖詳見圖3。

圖 4 光路轉換電路圖

模數轉換芯片AD采用雪崩光電探測器和高精度運算放大器，具備高響應度、速度、帶寬、可靠性和穩定性，滿足系統信號轉換需求。該芯片為精密雙運算放大器，低失調電壓。拉曼散射光通過光電轉換，A/D探測信號光強驅動電流信號，芯片作為恒流源驅動放大電路。通過外接電阻將電流信號轉換為電壓信號，經兩級放大處理，光強完全轉換為電壓信號。

4）網絡接口電路設計

網絡接口作為分布式光纖測溫系統與上位機計算機軟件的重要數據傳輸通道，意義較為重大。

2.2軟件系統設計

本文采用Windows XP系統軟件平臺，基于Web框架構建的系統平臺軟件，具備內嵌的智能分析模塊和基礎功能模塊，包括系統總界面模塊、溫度和電流數據采集模塊等。

1）系統總界面設計

系統主界面集成了多項功能，包括數據分析、歷史數據分析、實時數據展示、關鍵參數高亮顯示以及故障預警提示。這些功能為電纜運維人員提供了關鍵參數的顯著展示，并確保敏感的異常數據能夠及時彈出警告。

2）數據采集模塊

采集的溫度和電流參數實時地以曲線形式展示在系統界面上。系統還提供了歷史數據回顧功能，便于進行分析和總結，同時實時曲線能夠對電纜接頭等關鍵敏感位置進行有效標記。

3應用場景

3.1系統應用

分布式光纖測溫系統能夠實時監測電纜過載、導體高溫以及溫度異常突變可能造成的風險隱患，并自動產生日常巡檢報告。系統能夠精確識別單相短路、相間短路以及外力造成的破壞性故障，并具備故障定位、導航以及提供搶修方案指引的功能。運維人員可以利用手機APP隨時查看電纜的運行狀況、安排和跟蹤運維搶修工作的進度。物聯網的拓撲結構如圖5所示。

圖4 物聯網拓撲結構圖

3.2故障定位及預警應用

分布式光纖測溫系統已現場應用，可精確定位和導航電纜故障點，迅速識別具體位置。故障時，系統自動確定故障點，通過手機APP導航信息給指定人員，減少人力物力投入。提升維修效率，縮短恢復供電時間。電纜線路運行以經緯度標注在電子地圖，記錄敷設環境。系統監測導體內部溫度突變，提前發現潛在風險點，鎖定隱患位置，制定巡視和跟蹤計劃，預防故障發生。

4 安科瑞分布式光纖測溫系統

4.1分布式光纖測溫原理

激光器發射出高功率的光脈沖。當這些光脈沖在光纖中傳播時，會發生散射現象。其中，帶溫度信息的拉曼散射光會返回到光路耦合器。光路耦合器不僅能夠將光脈沖直接耦合到傳感光纖，還能將這些散射回來的、波長不同于發射波長的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由兩個不同中心波長的光濾波器構成，用于分離斯托克斯光和反斯托克斯光光信號。這兩路光信號隨后被接收機進行光電轉換和放大處理，再由數據采集單元進行高速數據采樣并轉換成數字信號。最終，通過進一步的信號處理，這些數據被用于計算溫度。

4.2應用場景

4.3 分布式光纖測溫應用示意圖

1）電力電纜測溫

配電母線槽測溫

管道泄露倉儲溫度監測

4.4分布式光纖測溫主機裝置技術指標

4.5分布式光纖測溫系統的功能

報警功能：包括定溫報警、區域溫差報警、溫升過快報警、斷纖報警以及裝置異常等多種報警機制。

可視化大屏顯示功能：可展示全程分區圖、溫度分布曲線，并實時顯示重點監測點的溫度隨時間變化曲線。

查詢功能：可查詢和顯示歷史數據；用戶可以直接在系統圖上查詢設備信息、運行參數、統計信息等。

分析功能：提供歷史趨勢顯示，并對未來趨勢進行評估，為檢修提供參考信息。

4.6分布式光纖測溫系統的優點

實時監控：本系統對指定區域的溫度實施全天候（7×24小時）實時監控，可迅速識別并精確定位任何溫度異常，確保早期預警。

分布式監測：采用分布式測溫技術，系統能夠提供連續的動態監測信號，實時捕捉被監測物體上每隔1米（或5厘米）各點的溫度變化。

技術先進：光纖既作為信號傳輸介質，也用于溫度檢測，實現了通信與傳感的融合。通過選用不同的外護套材料，系統能夠適應各種環境條件。

測量精準：系統具備高精度測溫能力，精度可達±0.05℃，同時定位精度可達0.05米。

操作靈活：系統功能的設定通過主機上的應用軟件完成，支持設置多級溫度報警閾值，并可根據不同環境進行調整。每個報警區域均可獨立編程，并可根據用戶需求定制。

擴展性強：系統支持對多路光纖同時進行測量，用戶可根據實際需求選擇不同路數的設備，包括4路、8路、12路和16路等配置。

兼容性佳：系統兼容以太網口和RS485接口，能夠向終端用戶提供分區、溫度及報警信息。

耐用性長：在不受外力破壞的情況下，鎧裝感溫電纜的使用壽命可長達25年。

操作簡便：可提供直觀、簡潔明了的可視化顯示界面，不會給用戶帶來額外的管理成本。

本質安全：系統具備本質安全特性，包括防爆、抗強電磁干擾、防雷擊等。

4.7分布式光纖測溫系統應用示例

5.結語

分布式光纖測溫系統包含了分布式光纖測溫主機和智能運維管理平臺，系統平臺基于分布式光纖測溫技術實現電纜線路的運行狀態監測和故障預警及定位。在線路故障時能快速生成故障點位置信息發送給運維人員，在線路正常運行時能實時分析運行狀態，提前感知隱患點，從而整體提高電纜線路運行的可靠性。

參考文獻

【1】胡冉，厲冰，葉文忠.基于分布式光纖測溫的智能電纜測控系統

【2】安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.