分布式傳感器在電力電纜溫度系統中的應用

摘要：為了實時監測高壓電力電纜溫度狀態，針對其高壓、強磁場工作環境提出基于分布式光纖傳感器的高壓電力電纜溫度在線監測系統設計方案。該方案采用DSP的快速累加，并利用Stokes信號解調Anti-Stokes信號，極大提高信噪比。此外，還介紹該系統在電力電纜中的實例應用，闡述其在電力系統中的實用價值。
關鍵詞：分布式光纖；OTDR；后向拉曼散射；溫度在線監測系統

隨著光纖傳感技術的不斷發展，單晶光纖是目前高溫環境下最適用的光波導材料之一，其測量溫度最高2 000℃，溫度分辨率0．1℃，因而利用光纖傳感技術設計高壓電力電纜溫度在線監測系統具有精度高、堅硬而且彎曲靈活、體積小和抗電磁干擾強等特點。高壓電力電纜網是呈一定空間分布的場，為了獲得被測對象較完整的信息，采用基于拉曼分布式光纖傳感系統，該系統在空間狹小、強電磁場、易燃及易爆等惡劣環境中具有良好的應用價值。

1 系統構成原理
光纖的光時域反射技術(OTDR)是實現分布測量的基本依據。當窄帶光脈沖被注入光纖中時，通過測后向散射光強隨時間變化關系檢查光纖的連續性并測量其衰減。
激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，產生拉曼散射。拉曼散射是由光纖中非傳播的局域密度不均勻和成分不均勻所致，這種不均勻性是在拉纖階段，二氧化硅由熔融態轉變為凝固態的過程中形成的。激光脈沖在光纖中所走過的路程為：2L=vt。其中，t為入射光經后向散射返回到光纖入射端所需時間；v為光在光纖中的傳播速度，v=c／n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率；L為光纖某處到光纖入射端的距離。
在t時刻測量距光纖入射端距離為L處局域的后向拉曼散射光，OTDR為分布式測量提供可靠的理論依據。
本系統采用基于Raman后向散射的分布式光纖溫度傳感原理，采用雙通道雙波長比較方法，即分別采集Anti-Stokes光和Stokes光，利用兩者強度的比值解調溫度信號。由于Anti-Stokes光對溫度更靈敏，因此Anti-Stokes光作為信號通道，Stokes光作為比較通道，則兩者之間的強度比為

式中，λs，λas分別為Stokes和Anti-Stokes光波長；h為普朗克常數；c為真空中的光速；k是玻耳茲曼常量；△γ為偏移波數：T為絕對溫度。
可見，在測溫系統中通過測定R(T)就可以確定沿光纖各測量點的溫度值。