1 概述
近年来，我国正在加快进行城市现代化的建设工作，随之而来的是架空输电线路在电力系统建设中的大量运用。为了解决架空输电线路对城市外观问题造成的影响，扩大发展过程中对电力负荷需求的可承受范围，越来越多的市内电力电缆开始通过电力改造工程逐渐取代架空输电线路被应用在城市的供电系统中。通过对电缆进行入地改造可以减小占地面积，简化线路布局，降低运行成本，方便日常生活。但是随之而来需要考虑的是如何解决电缆运行时引起的发热问题。发热现象通常发生在电缆运行状态下，而过高的温度可能引发火灾。由于处在地面以下，环境复杂，可能导致扑救工作的展开困难，进一步扩大损失。为保证电缆的正常运营，保障社会的财产安全，研究测温技术在电缆故障检测中的应用成为一种迫切需求。
近年来出现了一种对高压电缆进行在线监测的技术，被称为分布式光纤测温系统（DTS）。在DTS出现之前，这一类以高压电缆为检测对象的技术领域还不够完善，因此在DTS出现之后，立刻获得了广泛的关注。现在成熟的DTS技术已经在日韩欧美等国家获得大量使用。近年来我国各大省市也开始逐步使用DTS的电缆监控应用，并有不断扩大使用范围的趋势。这也说明，该项技术有利于我国电力行业持续健康发展，应用前景广阔。
电缆的载流量是指在进行电能输送的过程中，电缆所通过的电流大小，这一指标直接关系到电缆在电流流通的时候导体的发热程度。在实际使用情况中，由于敷设状态，运行环境等条件具有差异性，电缆导体发生绝缘老化的程度不一，这会影响到电缆实际载流量。所以必须对电缆在实际运行过程中的导体温度实施高度精确的在线测量，根据实际生产经验推导出电缆实际载流量影响温度上升的经验公式，并由此监控电缆允许载流量。同时通过对电缆及其附件等不同部位、敷设环境进行精确的实时温度测控。这一方法可以使中、高压电力电缆的运行效率获得极大的提高，运行安全也能获得充分的保障。
在实际生产建设中，分布式光纤温度监测系统具有一系列其他传统测温系统无法达到的优良特性，例如在电流流通时它可以通过对电缆热效应状况的在线监控达到多点、全面、实时、精确的分布式测量，可以解决以往在电缆及其附件上发生紧急事故后难以及时应对的问题等等，具有十分广阔的应用前景。
2 分布式光纤测温技术的故障检测原理及国内外研究现状
2.1 分布式光纤测温技术的故障检测原理
作为一项现阶段仍然具有巨大发展空间的高新技术，分布式光纤测温（DTS）系统的故障检测现在的主要作用为实时监控温度场。它的关键在于利用光纤作为传输温度信息的介质，向光纤发射光脉冲，每一个位于光纤中的单独的点都将后向散射一小部分光，这种后向散射光由斯托克斯光（Sotkes）和反斯托克斯光（Anitsotkes）组成。两者受温度影响的变化程度具有较大的差异，当检测到温度发生变化时，斯托克斯光几乎不发生改变，而反斯托克斯光的强度会受到显著影响。通过后向散射光的这种性质，可以通过计算反斯托克斯光与斯托克斯光的比值，得出它和导体温度之间的定量关系为：
式中，h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；IS和IAS分别是斯托克斯光强度和反斯托克斯光强度；f0为伴随光的频率；△f为拉曼光频率增量。
由于入射光和后向散射光之间存在时间差△t，利用这一点，结合光纤内的光传播速度Ck可以计算不同位置的散射点和入射端之间的距离X，由此得出近似连续分布的光纤沿程温度。下式可以用来对X进行计算：
式中，Ck为在光纤中传播的光速；△t为后向散射延迟时间。
DTS的基本构造比较简单，主要由主机和光纤两个部分组成。主机的作用在于对光脉冲的发射，对返回的数据进行收集和对温度信息进行调解。光纤主要起传感传输的作用。图1所示为主机结构。
图1 TDS主机结构图
2.2 分布式光纤测温技术的国内外研究现状
自上个世纪末期开始，世界范围内多家企业都顺利制造出了分布式光纤温度传感器，在2km的光纤上实现了温度分辨率3℃，空间分辨率3.5m的传感测量。如英国的YORK公司和日本的藤仓公司。与此同时，国内多家院校也在开发分布光纤温度传感器这一课题时取得了较多的成果。例如可以在lkm的光纤上实现空间分辨率7m，温度分辨率3传感测量的多模拉曼分布式光纤温度传感器系统被中国计量学院和重庆大学研制成功。
但是相比于国外，国内调节光纤测温系统主要方法仍然依靠Sotkes和Anitsotkes。由于这两种散射光强度极弱，在普遍存在噪声的条件下难以捕捉，对信号处理造成了极大的干扰。由于信号处理是在光纤测温系统中调解温度信息的关键一步，这一现象极大影响了光纤测温系统的精准度。因此，只有通过适宜的硬件手段和有效的提取方法对系统信号进行处理，才能正确的获得系统信号。
信噪比指的是系统中信号与噪声的比例，由于噪声等因素对分布式光纤测温系统的各项性能指标具有较大的影响，因此如果想要改进系统性能，提高测量精度，关键从改善系统信噪比着手。
2.3 分布式光纤测温系统的特点
作为一种新兴的测温手段，分布式光纤测温技术和其他早期研发的测温技术相比，具有以下特点：
（1）可实现多点测温，测温范围更广，距离更长，测量和定位的精度更高，安装难度更小，更不易受外部环境影响，更加稳定可靠。
（2）电缆规定的导体允许温度最大值决定了电缆的载流量，而影响电缆导体温度的因素主要有电缆的内部结构和外部的环境条件。若电缆所处的环境复杂，例如需要考虑的敷设位置土壤温度或热阻参数较多，可以通过对电缆外护套的温度进行实时监测来计算导体温度，从而对电缆载流量进行实时监控。由于分布式的光纤测温技术具有覆盖距离长，定位精度佳的优点，可以通过分析获得最安全适宜的电缆系统载流量数值。若事先在电缆内部安装光纤，反映的电缆导体温度更贴近真实值，也为电缆载流量规定值的确定降低难度。
（3）电缆易发事故报警系统灵敏度更高，可有效避免事故发生。
（4）通过进一步改良可以作为一种新的技术手段应用在电缆绝缘的在线监测领域。
3 提高分布式光纤测温技术精度的方法
由于系统中的信号具有强度弱噪声多的特点，因此信号处理关键在于提高系统的信噪比。
需要分布式光纤测温系统进行监测的目标信号具有以下特点：散射光信号难以捕捉，目标温度信号在混有噪声信号的信号群中所占比例太低；噪声信号主要为平均幅值为零的随机白噪声。如想要提高系统信噪比，改善系统性能，消除噪声的干扰，必须有针对性的根据噪声特点选择恰当的算法。
3.1 递推式累加平均去噪方法
式（4）中，第二项即为每次通过递推对之前累计的平均结果进行修正的修正量，修正次数越大，修正量越小，新一轮累积的数据对整体结果造成的影响也越来越小。图2为递式累加平均算法流程图。
图2 递推式累加平均算法流程图
图2介绍了由递推式累加平均算法的具体流程，即首先将每次的采样数据都逐个进行加权平均后放至缓冲区保存。该方法和传统的线性累加平均算法相比需要的获取数据时间更短，数据溢出的风险也更小，因此本文在研究过程中采取递推式累加平均算法来对研究内容进行分析。
3.2 试验
该检验实验的目的主要是检测递推式累加平均算法对分布式光纤测温系统测量温度的精度和可靠程度。通过基于本文提出的方法，将一段电缆放入一个温度恒定，放有标准温度计的装置中，保证装置性能可靠，受外界环境影响极小，在通过基于本文提出的方法对装置进行改进之后，可以通过预先放置在电缆装置内的标准温度计和光纤测温系统读取电缆不同测量点的温度数值，绘制温度曲线图。表1为多次对比的试验结果。
表1 多次测量试验结果（单位：℃）
| 序号 | 改进 | 传统 | 温度计 | 误差 |
| 1 | 28.5 | 28.1 | 29 | -0.5 |
| 2 | 33.0 | 32.4 | 35 | -2.0 |
| 3 | 39.5 | 40.2 | 39 | 0.5 |
| 4 | 42.5 | 41.2 | 44 | -1.5 |
| 5 | 51.5 | 52.3 | 50 | 1.5 |
通过表1可以看出，和早期研发的光纤测温系统相比，改进后的递推式累加平均算法的光纤测温系统所测的温度和标准温度计的温度测量结果之间相差不超过2℃，这一检验结果可以说明递推式累加平均算法的光纤测温系统具有更高的准确度。
4 分布式光纤测温技术在电力电缆故障检测中的应用
以某220kV电缆线路工程为例。在事故发生前，该线在线监测系统的特殊巡检中发现测温光缆在9141m处中断，无其它异常现象；而在事故发生时，对该线巡检中发现光纤在7720m（#15接头位置）处断裂，电缆测温光纤温度没有明显的温升，环境温度升高至29℃，结果如图2所示。
图2 某电缆温度监测图
由图2结果分析可得，当即将有故障要发生在电缆及其配件附近时，常会提前出现某些征兆，如将要出现故障处或周围温度升高。数据曲线显示7720m处有一个温度峰值，经查实为一电缆接头故障。
5 结语
随着电力系统的不断发展，电力设备的温度检测日益受到重视。本文通过研究电力电缆相关的分布式光纤测温技术得出以下结论：
（1）分布式光纤测温系统能够全方位的实时监控与在线测量导体表面、导芯内部和电缆接头温度信息，具有抗干扰能力强、本征安全、精度高、距离远、定位准确度高等优势，更适合对电力电缆使用情况进行监测。
（2）通过分析系统信号，提出了递推式累加平均算法对信号实施有效降噪。信号处理结果表明：和传统线性累加平均算法相比，系统信号中混杂的高斯白噪声可以通过递推式累加平均算法有效消除，且能获得更少的系统处理时间，和更高得光纤温度测量精度。
（3）电缆实时运行状态信息能够及时通过分布式光纤测温系统送达至用户端，提早报告潜在故障处，实现电缆故障的早发现和早预警，降低电力事故发生率，保护社会财产安全，保障电缆的安全可靠运行。
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收稿日期：2017-11-12
作者简介：雷小月（1987-），女，重庆人，广东电网有限责任公司珠海供电局工程师，研究方向：高压试验与输变电设备在线监测技术。
