摘 要： 对分布式光纤测温技术在国内外的研究及应用现状进行论述， 重点对分布式光纤测温系统在城市电网运行过程中存在的问题及不足进行了分析， 并提出了针对性的应对措施， 对于提高电缆线路的运行可靠性具有重要意义。关键词： 分布式光纤测温； 高压电缆； 城市电网； 可靠性，吴 科， 熊 刚， 邓旭东， 殷业成， 赵柏桥， 李政泽（国网重庆市电力公司检修分公司， 重庆 400039），收稿日期：2019-07-08
作者简介： 吴科（1990-）， 硕士， 从事高压电缆试验及局放检测工作： 熊刚（1976-）， 硕士， 高级工程师， 研究方向为高压电缆状态检测； 邓旭东（1976-）， 高级工程师， 从事高压电缆试验及局放检测工作。
0 引言
高压电缆是城市输电线路的重要组成部分， 与架空线相比具有结构紧凑、 占地少、 电气-机械性能优异及使用寿命长等优点， 随着城市化进程的不断推进， 在城市电网中应用得越来越广泛。 高压电缆运行电压高、 输送容量大， 且运行过程中故障具有随机性强、 预测难度大等特点， 一旦电缆发生绝缘击穿或短路故障就将诱发火灾， 扩大故障影响范围， 损失巨大。 传统电缆故障查找和处理均在电缆停电或故障状态下进行， 不能对运行电缆线路中的潜在故障进行检测和判断。 近几年的高压电缆故障统计表明， 电缆发生绝缘击穿或短路故障前， 电缆本体会出现局部过热现象。 为此， 通过监测电缆表面温度变化情况， 及时掌握电缆运行状态对于提高电缆线路运行可靠性具有实际工程意义。
目前， 传统测温技术将点式温度传感器安装于重要部位进行测温， 温度测量范围有限， 不能实现整条电缆线路的温度监测。 基于拉曼（Raman） 散射原理的分布式光纤测温技术逐渐发展起来， 并在电缆表面温度监测中得到广泛应用。 对于光纤测温， 国内外学者进行了大量研究， 然而过去的研究主要针对光纤测温原理及分布式光纤测温系统， 对于城市电缆通道中电缆表面温度测量实际应用过程中存在的问题及改进措施还需进一步研究。 为此， 本文针对电缆线路运行过程中光纤测温系统存在的问题， 提出针对性解决措施， 以提高电缆线路运行可靠性， 减少电缆故障。
1 光纤测温基本原理
激光脉冲在光纤中传播时， 与光纤分子相互作用， 发生瑞利（Rayleigh）散射、 布里渊（Brillouin）散射和拉曼散射等。 其中， 拉曼散射受光纤分子振动频率的调制， 光纤分子受到热振动时， 会产生一个比光源波长长的光（斯托克斯 Stokes） 和一个比光源波长短的光（ 反斯托克斯 Ant-iStokes）。 由于瑞利散射光强比反斯托克斯光强强， 不利于检测反斯托克斯光强， 因此通常采用斯托克斯光强与反斯托克斯光强的比值实现沿光纤温度场的分布测量。 反斯托克斯光强与斯托克斯光强比值与温度关系为：
与传统温度检测技术相比， 分布式光纤测温系统具有抗电磁干扰能力强、 体积小、 重量轻、 耐化学腐蚀、 灵敏度高及响应速度快等优势。 分布式测温不局限于有限测试点的温度测量， 可实现电缆线路全线的温度分布测量， 掌握电缆实际运行工况。
2 光纤测温技术应用现状
光纤测温基于光纤拉曼散射现象， 根据测温光纤放置位置的不同， 可分为内置式和外置式。 内置式分为以下两种。 一种是将测温光纤置于线芯分割导体的间隙， 可直接测量导体温度， 同时避免对测温光纤结构造成损伤。 但此种工艺存在两个问题： 一是电缆接头制作过程中， 线芯导体需要进行压接， 不可避免会对测温光纤结构造成损伤；二是线芯导体处于高电位， 光纤接出如何保证接头各部分之间的绝缘强度， 目前还没有较好的解决办法。 另一种是将测温光纤放置于电缆绝缘屏蔽表面， 介于阻水缓冲层与绝缘屏蔽之间。 结合近几年高压电缆故障统计， 绝缘屏蔽与铝护套之间接触不良形成空气间隙， 进而引发局部放电， 导致电缆绝缘击穿是引发高压电缆故障频发的重要原因， 目前也未有较好的解决办法。 上述两种测温光纤在工程实际应用中存在较大困难， 目前工程应用案例较少。
外置式测温光纤用于测量电缆表面温度。 电缆在不同负荷状态下， 线芯导体发热情况不同， 导体电阻损耗产生的热量通过绝缘层向外传递， 受环境温度及周围运行电缆的影响， 电缆表面温度分布存在差异。 测温光纤沿电缆全线（本体＋接头）敷设， 其布置方式如图 1 所示
图1 电缆本体及附件测温光纤布置
图 1（a）中， 高压电缆敷设主要有“一”字型和“品”字型敷设。 高压电缆采用“一”字型敷设时， 测温光纤置于其中一相或三相电缆表面， 与电缆通过尼龙绳或其他绝缘绳进行固定， 从而保证二者表面紧密接触。 图 1（b）中， 电缆接头处测温光纤通过缠绕的方式将电缆两端金属尾管及接头主绝缘部分进行覆盖， 保证测温电缆与接头表面可靠接触。
随着城市化进程的不断加快， 城市电缆化率不断提高， 带来分布式光纤测温系统的广泛使用。 目前， 北京、上海、 江苏、 广州及重庆等城市高压电缆回路数及线路长度位于国内前列。 其中， 北京高压电缆分布式光纤测温系统覆盖率高达 86％， 在光纤测温系统的使用和维护上具有丰富的运行经验。
3 光纤测温技术现存问题
3. 1 传动校验方法不足
由于高压电缆线路较长， 测温光纤可监测任意区段电缆本体表面温度的变化情况， 因此测温光纤作为预防电缆故障的重要技术手段。 一种传统传动试验是将预留的感温光纤放入热水中， 由于测温光纤取样间隔为 1～2 m， 为保证传动校验效果， 通常取 5～6 m 光纤放入热水中， 保持10～15 min 提高光纤本体温度， 实现光纤工作状态的检测。 结合我国城市地形特点， 平原城市电缆隧道深度较浅， 平均深度介于 5～10 m， 因此在平原城市可广泛应用该方法。 但西南大部分地区及西北部分地区， 电缆隧道落差大， 隧道平均深度介于 30～50 m， 部分地区落差高达数百米， 且通道内部地势起伏大、 转弯多， 传动校验开展较困难， 如图 2 所示。
图2 光纤传动校验及高落差电缆隧道
实际运行过程中， 电缆隧道较长， 电缆线路回数多，多回路测温光纤传动校验过程中存在水温下降问题。 不同电缆回路测试期间水温变化如图 3 所示。 由此可知， 水温基本呈线性下降， 下降原因在于测试过程密封不严， 导致热量散失， 另一部分热量用于加热测温光纤。 由于通道内电缆回路数较多， 测温光纤材质及重量存在差异， 因此每次测试的热量损失及水温下降程度不尽相同。 同时发现测试第 4 回电缆测温光纤时， 水温低于 40 ℃， 与环境温度差异不大， 不能继续进行测试， 测试回路有限。 另外， 由于仅在电缆接头和终端处有预留测温光纤， 因此传动试验点的选择较为固定、 单一， 难以实现全线测温光纤的随机测试， 局限性较大， 可靠性难以保证。
另一种传动试验通过吹风进行加热， 但实际运行过程中电缆运行环境湿度大、 积漏水现象较普遍， 且通道内相隔数百米设置一个电源箱， 电源点有限， 电源电压随着电源点距离增加， 存在电压降， 影响设备正常工作。 该方法存在取电困难， 检测点固定、 单一， 加热过程中散热速度快， 不能有效保温。 测温光纤不同位置及温度与风速关系如图 4 所示
由图 4 可发现， 空气温度与空气流速沿测温光纤表面呈线性下降趋势。 空气温度沿测温光纤长度接近 1 m 时温度下降至 40°C， 温度下降迅速， 光纤长度达到 2 m 时， 热空气温度与环境温度保持一致。 测温光纤取样间隔为 1～2 m， 光纤首末两端温度差异较大， 不利于其工作状态检测， 同时加热过程对电缆外护套绝缘性能存在一定安全隐患。
3. 2 涂料包覆
高压电缆与架空线路相比， 具有占地少、 传输容量大及便于运行维护等优势， 因而在城市电网中得到了广泛应用。 为保证电缆线路安全稳定运行， 避免不同线路间发生故障后相互影响及电缆发生绝缘击穿故障后外护套延燃，电缆表面涂刷防火涂料， 厚度约为 0. 5 ～1 mm， 如图 5所示。
图 5 中， 测温光纤表面涂刷一层防火涂料， 涂料硬化后， 测温光纤与电缆本体接触较紧密。 防火涂料具有一定的隔热和阻燃性能， 涂料涂覆于测温光纤表面， 使得电缆表面温度变化不能及时传递给测温光纤， 存在延迟和滞后。 涂料涂刷厚度与热量传热时间变化规律如图 6 所示。
由图 6 可发现， 传热时间的增长随涂料厚度的增加可分为两个阶段。 测温光纤表面涂料厚度介于 0～0. 4 mm 时为第一阶段， 传热时间较短且增长较缓慢， 电缆表面温度传至测温光纤时间差 Δt ＝ 1 min； 涂料厚度介于 0. 4～1mm 时为第二阶段， 传热时间较长且增长速度较快， 电缆表面温度传至测温光纤时间差 Δt＝4 min。 随着涂料厚度的进一步增加， 电缆表面温度传热至测温光纤时间越长，同时会损失热量， 造成测试温度偏低或无法检测， 进一步导致电缆发生故障时不能及时处理。
3. 3 排管段电缆温度监测盲区
目前， 高压电缆通道主要有隧道、 电缆沟、 排管及直埋等敷设形式。 其中， 隧道、 电缆沟结构尺寸较大， 电缆测温光纤可全线覆盖， 实现电缆本体温度实时监测。 实际上， 高压电缆敷设路径通常由两种或多种通道形式构成，城市地区地下空间资源有限， 大部分地区高压电缆采取排管敷设。 结合电缆敷设方式， 高压电缆由牵引设备施加牵引力牵引通过排管， 排管内径通常为单根电缆外径或多根电缆包络外径的 1. 5 倍， 实际上电缆牵引过程中受牵引力大小、 方向、 排管笔直度及管内杂物的影响， 电缆敷设后排管内部空间急剧缩小， 测温光纤难以穿过和敷设， 如图7 所示。
由图 7 可发现， 高压电缆采用排管敷设时， 部分区域与排管内壁接触， 难以进行光纤敷设， 同时测温光纤与电缆表面未能进行有效接触， 难以监测表面温度， 从而形成排管段电缆表面温度监测盲区。
4 改进措施及发展趋势
4. 1 传动校验改进措施
受到电缆隧道地势特征、 电缆运行环境及加热装置取电等问题的限制， 电缆隧道内测温光纤的传动校验开展难度较大。 结合电缆实际运行工况， 高压电缆三相中间接头呈相互错开方式布置， 如图 8 所示。
由图 8 可发现， 高压电缆三相接头布置位置错开， 接头处三相测温光纤无法同时进行传动校验， 需逐相进行，测试效率和试验可靠性进一步降低； 同时， 受到电缆通道宽度、 电缆支架层间距离及防火隔板的影响， 测温光纤传动校验空间进一步压缩。 高压电缆测温光纤传统装置改进措施如下。
（1）便携式电加热装置代替传统校验方法， 续航时间长， 携带方便， 适用于电缆隧道等特殊使用环境。
（2）电缆通道由多种形式构筑物构成， 且通道经过路径及埋设深度不同， 不同电缆区段环境温度不同， 因此加热装置具有恒温及保温作用， 以适应不同的测试环境。
（3）加热装置可对隧道内任意区段内电缆本体处测温光纤进行校验， 可同时进行三相测温光纤校验， 提升测试效率。
4. 2 涂料包覆改进措施
涂刷过程中， 在涂料自身重力影响下， 测温光纤表面涂料厚度不同， 进一步加剧了传热过程的延后。 涂料包覆影响传热的改进措施如下。
（1）涂刷电缆防火涂料时将测温光纤予以防护， 待涂料硬化后去除防护层， 确保电缆表面温度准确测量。
（2）电缆防火涂料硬化后进行测温光纤敷设， 消除其对测温光纤的检测影响。
4. 3 排管段电缆温度监测盲区改进措施
电缆敷设过程中电缆本体及排管笔直度难以保证， 加之排管内残留异物， 导致电缆测温光纤难以穿过， 形成电缆测温盲区。 其改进措施为测温光纤沿电缆本体一同敷设， 通过电缆排管段前做好测温光纤的防护措施， 防止敷设过程损伤光纤
5 结语
国内外对分布式光纤测温系统研究开展较早， 分布式光纤测温技术已较成熟， 目前在国内一线城市电缆隧道内覆盖率较高， 应用范围广。 但城市电缆通道内光纤测温系统的运行维护普遍存在传动试验方法不足、 涂料包覆影响传热及排管段监测盲区等问题。 通过改进传动校验设备、敷设顺序及采取保护手段等方法， 可提高分布式光纤测温系统工作可靠性和电缆线路运行可靠性。
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