摘要

高壓電纜、母線槽等電力設(shè)備接頭松動、絕緣老化、過載運行引發(fā)的局部過熱，是電力系統(tǒng)短路、起火故障的重要誘因。傳統(tǒng)點式測溫、周期性紅外巡檢等監(jiān)測手段存在監(jiān)測盲區(qū)，難以實現(xiàn)長距離電力設(shè)施24小時不間斷監(jiān)測，無法識別早期過熱隱患。分布式光纖測溫（DTS）傳感技術(shù)以感溫光纜作為傳感單元，具備無源抗電磁干擾、長距離連續(xù)測溫、米級故障定位等突出優(yōu)勢。本文圍繞DTS分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力行業(yè)應用開展研究，闡述拉曼散射測溫基本原理；研究55℃預警、70℃一級報警、90℃二級告警多級閾值配置策略，分析溫升速率輔助報警機制；結(jié)合電纜隧道、綜合管廊電力艙、母線槽、電廠空冷島等典型電力工況開展應用分析；結(jié)合北京鴻鷗成運儀器設(shè)備有限公司DTS電力型工程樣機開展工程案例分析，探討系統(tǒng)硬件架構(gòu)、軟件邏輯、現(xiàn)場施工與閾值整定要點，論證光纖測溫技術(shù)在電力設(shè)備過熱故障早期預警方面巨大應用價值。研究表明，分布式光纖測溫可以在短路、起火故障發(fā)生之前捕捉電力設(shè)備局部過熱，將電力運維處置關(guān)口前移，對提升電網(wǎng)設(shè)備安全防控水平具有重要工程意義。

關(guān)鍵詞：分布式光纖測溫；DTS；電力設(shè)備；電纜過熱；早期預警；多級溫度閾值；感溫光纜；母線槽；電纜隧道

1 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)快速推進，城市高壓電纜隧道、綜合管廊電力艙、大容量母線槽、大型火電廠空冷島大量投運。電力電纜中間接頭、母線連接部位，在大負荷電流長期作用下，接觸電阻增大，會產(chǎn)生局部異常發(fā)熱。熱量不斷累積造成絕緣加速老化，如果隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，會逐步發(fā)展為絕緣擊穿、短路甚至火災事故，造成區(qū)域性停電，帶來巨大經(jīng)濟損失，嚴重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

電力故障發(fā)展具備明顯前置升溫過程，在短路、明火故障出現(xiàn)之前存在較長的過熱發(fā)展窗口期，這一階段是運維處置的黃金時間?，F(xiàn)階段主流電力測溫手段存在固有短板：點式溫度探測器屬于離散采樣，長距離電纜線路存在大量監(jiān)測盲區(qū)；人工紅外熱成像只能周期性巡檢，無法實現(xiàn)全天候在線監(jiān)測；開關(guān)量感溫電纜只輸出開關(guān)報警信號，無法獲取實時溫度數(shù)值，故障定位精度差；同時高壓電力現(xiàn)場強電磁環(huán)境，普通有源電子傳感器容易受到電磁干擾，造成數(shù)據(jù)異常。

分布式光纖測溫DTS基于拉曼光散射效應，感溫光纜為無源傳感介質(zhì)，現(xiàn)場無需供電，抗強電磁干擾，可實現(xiàn)數(shù)公里路徑上連續(xù)溫度測量，能夠設(shè)置多級溫度報警閾值，識別電力設(shè)備早期過熱故障。北京鴻鷗成運儀器設(shè)備有限公司針對電力行業(yè)復雜工況，完成DTS測溫主機軟硬件開發(fā)，適配國內(nèi)電力工程落地條件。本文針對該技術(shù)開展系統(tǒng)研究，分析其在電力設(shè)備故障預警領(lǐng)域應用潛力與工程實施要點。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)基本原理與系統(tǒng)架構(gòu)

2.1拉曼散射測溫原理

激光脈沖注入感溫光纖內(nèi)部，光在光纖介質(zhì)傳輸產(chǎn)生瑞利散射、拉曼散射。拉曼散射包含斯托克斯光與反斯托克斯光，反斯托克斯光強度對環(huán)境溫度變化十分敏感。測溫主機采集反射回來兩種散射光信號，經(jīng)過濾光、光電放大、解調(diào)運算，對比兩者光強比值，計算光纖各個位置實時溫度。依據(jù)光脈沖發(fā)射與信號返回時間差，計算故障點位距離，實現(xiàn)沿著光纜全線空間?溫度一一對應，得到整條光纜路徑溫度分布數(shù)據(jù)。感溫光纜本身不包含任何電子元器件，本安無源，不受高壓電磁場干擾，適配各類復雜電力工況。

2.2系統(tǒng)整體架構(gòu)

整套DTS分布式光纖測溫電力監(jiān)測系統(tǒng)由四大模塊組成：測溫解調(diào)主機、鎧裝感溫光纜、報警輸出單元、監(jiān)控上位軟件。

1）測溫解調(diào)主機：北京鴻鷗成運DTS電力專用主機，內(nèi)置激光發(fā)射模塊、光電接收解調(diào)單元、數(shù)據(jù)存儲單元；支持多通道輸出，單通道最大監(jiān)測距離可達10?km；本地屏幕顯示溫度數(shù)據(jù)，支持歷史數(shù)據(jù)存儲，具備以太網(wǎng)、RS485通訊接口，可對接電力SCADA監(jiān)控平臺。

2）鎧裝感溫光纜：根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選型，電纜隧道潮濕腐蝕環(huán)境選用不銹鋼鎧裝感溫光纜；配電室母線槽室內(nèi)場景選用阻燃護套感溫光纜，施工時緊貼高壓電纜、母線槽外殼表面敷設(shè)。

3）報警輸出單元：包含聲光報警器、短信報警模塊。當溫度達到預設(shè)閾值，繼電器輸出動作，實現(xiàn)現(xiàn)場聲光提示、遠程短信推送告警信息。

4）監(jiān)控上位軟件：實時展示全線溫度曲線，標記報警點位距離，存儲歷史溫度數(shù)據(jù)，生成溫度報表，支持55℃、70℃、90℃多級報警閾值參數(shù)在線配置，支持溫升速率報警參數(shù)設(shè)置。

2.3多級報警閾值設(shè)置邏輯

電力設(shè)備運行溫度受負荷波動、環(huán)境季節(jié)溫度影響很大，單一報警溫度閾值無法區(qū)分隱患風險等級，系統(tǒng)設(shè)置三級固定溫度閾值，同時疊加溫升速率報警作為輔助判斷條件：

1）55℃預警閾值：55℃尚未達到電纜絕緣材料熱破壞溫度，屬于異常升溫早期階段。該閾值用于早期隱患預警，提示運維人員開展巡檢排查，在故障尚未升級的時候開展維護，消除隱患。

2）70℃一級報警閾值：溫度升高至70℃，設(shè)備故障持續(xù)發(fā)展，絕緣老化加速，風險等級顯著提升，系統(tǒng)觸發(fā)一級報警，通知運維人員緊急現(xiàn)場處置。

3）90℃二級告警閾值：溫度達到90℃，已經(jīng)屬于高危狀態(tài)，電纜絕緣臨近熱分解溫度，短時間內(nèi)就可能發(fā)展成為短路起火事故，系統(tǒng)觸發(fā)二級告警，聯(lián)動聲光、短信，報警信號上傳電力監(jiān)控平臺，啟動應急處置流程。

僅僅依靠固定溫度閾值存在局限性。部分故障會發(fā)生短時間急劇升溫，初始溫度不高，但是幾分鐘之內(nèi)快速沖高。系統(tǒng)增設(shè)溫升速率報警，例如設(shè)置每分鐘升溫≥3℃即可觸發(fā)告警，即便實時溫度尚未達到55℃，依然識別異常，進一步提升故障預判能力。

3 不同電力場景下DTS系統(tǒng)應用分析

3.1高壓電纜隧道、電纜溝

城市電纜隧道、電纜溝集中敷設(shè)大量高壓電力電纜，電纜中間接頭為故障高發(fā)位置。廊道封閉通風條件差，一旦接頭過熱起火，火勢沿電纜快速蔓延，地下空間搶修作業(yè)難度大。將鎧裝感溫光纜沿著電纜橋架全程敷設(shè)，跟隨電纜走向布置。系統(tǒng)實時采集全線溫度，55℃預警提醒定期巡檢；70℃一級報警開展緊急排查；90℃二級告警啟動電力應急流程，米級定位故障點，避免運維人員數(shù)公里廊道盲目排查。DTS無源特性，不受隧道內(nèi)部潮濕積水、強電磁環(huán)境影響。

3.2城市綜合管廊電力艙

綜合管廊電力艙集中多回高壓電纜，艙室密閉，一旦電纜起火，會威脅管廊整體安全。感溫光纜沿電纜橋架敷設(shè)，實現(xiàn)電纜全線溫度在線監(jiān)測，分級閾值預警，提前識別接頭過熱隱患，保障管廊電力艙安全運行。

3.3配電室母線槽監(jiān)測

大型廠區(qū)、高層配電室母線槽，接頭位置接觸電阻過大極易發(fā)熱起火。感溫光纜順著母線槽外殼敷設(shè)，重點監(jiān)測母線接頭位置，實現(xiàn)早期過熱預判，防止母線槽短路起火事故。

3.4火電廠空冷島溫度監(jiān)測

火電廠空冷島散熱單元設(shè)備點位分散，傳統(tǒng)點式傳感器布線工程量大。感溫光纜沿空冷島散熱管束布設(shè)，實現(xiàn)大面積分布式溫度監(jiān)測，及時識別散熱單元異常過熱，保障發(fā)電機組運行效率。

3.5變壓器、高壓開關(guān)柜監(jiān)測

針對變壓器外殼、高壓柜重點發(fā)熱部位布設(shè)感溫光纜，監(jiān)測設(shè)備外殼溫度變化，捕捉設(shè)備異常發(fā)熱，輔助運維人員判斷設(shè)備內(nèi)部運行狀態(tài)。

4 DTS光纖測溫與傳統(tǒng)電力測溫技術(shù)對比分析

將分布式光纖測溫系統(tǒng)，與點式溫度探測器、開關(guān)量感溫電纜、人工紅外巡檢從傳感方式、是否無源抗電磁干擾、監(jiān)測連續(xù)性、報警時機、風險分級能力、故障定位精度幾個維度開展對比。

點式溫度探測器：離散點位監(jiān)測，現(xiàn)場需要供電，強電磁環(huán)境下易受干擾，存在監(jiān)測盲區(qū)；只能探測安裝點位溫度；長距離電纜線路布設(shè)成本高；僅能夠?qū)崿F(xiàn)超溫報警，無風險分級能力。

開關(guān)量感溫電纜：線型傳感，但是只輸出開關(guān)通斷信號，無實時溫度數(shù)值輸出；不支持多級閾值區(qū)分風險等級；故障定位精度差，只能判斷大致區(qū)段；早期故障預判能力弱。

人工紅外熱成像巡檢：非接觸測溫，但是只能周期性檢測，無法24小時在線；隧道內(nèi)部粉塵水汽環(huán)境測溫精度下降；受人員經(jīng)驗制約，不能第一時間捕捉突發(fā)故障。

DTS分布式光纖測溫系統(tǒng)：全線連續(xù)分布式測溫，光纜無源抗電磁干擾；支持55?70?90℃多級閾值配置，支持溫升速率復合報警；米級精度定位故障點位；在短路起火故障出現(xiàn)之前識別局部過熱隱患，實現(xiàn)故障早期預判。

同時DTS技術(shù)同樣存在客觀局限性：新建項目需要同步敷設(shè)感溫光纜，存在前期施工投入；存量改造項目需要結(jié)合現(xiàn)場條件優(yōu)化光纜敷設(shè)方案；需要結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境溫度、設(shè)備負荷特性整定報警閾值，降低誤報警概率。

5 工程實施關(guān)鍵技術(shù)要點（基于鴻鷗成運項目實踐）

5.1光纜敷設(shè)施工要點

感溫光纜必須盡可能緊貼被測發(fā)熱載體表面敷設(shè)，保障熱傳導效率；光纜懸空會造成測溫數(shù)據(jù)偏低，無法真實反映電纜實際溫度。光纜彎曲半徑嚴格遵循產(chǎn)品技術(shù)要求，避免光纖折損。電纜接頭、母線接頭這類故障高發(fā)位置，光纜適當做迂回敷設(shè)，提升重點區(qū)域監(jiān)測靈敏度。地下潮濕工況選用不銹鋼鎧裝光纜，接頭盒做好防水密封處理。

5.2報警閾值現(xiàn)場整定

55℃、70℃、90℃為通用參考閾值，不能直接照搬全部工況。需要結(jié)合項目現(xiàn)場環(huán)境本底溫度、設(shè)備運行負荷特性做閾值微調(diào)。夏季隧道環(huán)境基礎(chǔ)溫度升高，適當修正預警閾值，減少誤報警。合理設(shè)置溫升速率參數(shù)，平衡系統(tǒng)靈敏度與誤報率。項目調(diào)試階段，采用模擬加溫方式，依次驗證55℃預警、70℃一級報警、90℃二級告警各檔位輸出是否正常，聲光、短信報警聯(lián)動可靠。

5.3系統(tǒng)通訊對接調(diào)試

DTS主機具備標準Modbus?TCP、RS485接口，調(diào)試階段完成和用戶現(xiàn)有電力SCADA監(jiān)控平臺聯(lián)調(diào)，保證溫度數(shù)據(jù)、各類報警信號能夠穩(wěn)定上傳上位系統(tǒng)，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控管理。

5.4后期運維管理

感溫光纜本身壽命長，基本免維護；日常運維重點檢查測溫主機運行狀態(tài)，定期查看歷史溫度數(shù)據(jù)，檢查光纜接頭盒完好性，周期性開展模擬加溫報警測試，保障整套預警系統(tǒng)長期可靠工作。

6 結(jié)論

電力設(shè)備安全運維核心在于預防優(yōu)先，盡可能捕捉設(shè)備早期異常升溫信號，把故障處置關(guān)口前移。傳統(tǒng)電力測溫手段大多依靠周期性巡檢或者離散點位監(jiān)測，很難識別長距離線路上早期局部過熱隱患。分布式光纖測溫DTS技術(shù)依托拉曼散射光學原理，感溫光纜無源抗強電磁干擾，可以實現(xiàn)長距離路徑上連續(xù)溫度監(jiān)測。

通過設(shè)置55℃預警、70℃一級報警、90℃二級告警多級固定溫度閾值，疊加溫升速率復合報警機制，可以在短路、起火故障產(chǎn)生之前識別電纜、母線槽過熱故障，實現(xiàn)電力設(shè)備故障早期預判。北京鴻鷗成運儀器設(shè)備有限公司DTS電力專用分布式光纖測溫系統(tǒng)，適配電纜隧道、綜合管廊電力艙、母線槽、電廠空冷島等多種電力場景。工程實踐證明，該技術(shù)能夠有效彌補傳統(tǒng)電力測溫方案短板，顯著提升電力設(shè)備過熱故障早期識別能力，具備很高推廣應用價值。后續(xù)還需要持續(xù)優(yōu)化算法模型，進一步降低誤報率，和現(xiàn)有電力監(jiān)控體系的融合標準，推動分布式光纖測溫技術(shù)在國內(nèi)電力行業(yè)更加廣泛落地。

參考文獻

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（全文合計4680字）

電力領(lǐng)域光纖監(jiān)測全套關(guān)鍵詞

一、核心產(chǎn)品詞

分布式光纖測溫、DTS、DTS測溫主機、光纖測溫系統(tǒng)、感溫光纜、鎧裝感溫光纜、電力專用DTS、線型光纖感溫探測裝置、電纜光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)、拉曼分布式光纖測溫設(shè)備

二、技術(shù)原理關(guān)鍵詞

拉曼散射、斯托克斯光、反斯托克斯光、分布式傳感、光時域反射OTDR、連續(xù)測溫、全線測溫、無源傳感、抗電磁干擾、米級故障定位、溫升速率報警、光纖解調(diào)、空間?溫度對應

三、報警閾值參數(shù)

55℃預警、70℃一級報警、90℃二級告警、多級溫度閾值、固定溫度報警、溫升速率報警、閾值整定、模擬加溫測試、超溫預警

四、監(jiān)測對象與故障類型

電纜過熱、電纜接頭發(fā)熱、母線槽過熱、接觸電阻過大、過載發(fā)熱、絕緣老化、高壓電纜故障、設(shè)備局部過熱、電纜短路前兆、電力設(shè)備熱故障、電纜絕緣熱分解

五、電力應用場景關(guān)鍵詞

電纜隧道、電纜溝、綜合管廊電力艙、高壓電纜、配電室、母線槽、電廠空冷島、變電站、高壓開關(guān)柜、變壓器監(jiān)測、城市地下電網(wǎng)、輸變電工程、工業(yè)廠區(qū)配電

六、硬件配套配件

測溫解調(diào)主機、不銹鋼鎧裝感溫光纜、阻燃感溫光纜、光纜接頭盒、聲光報警器、短信報警模塊、監(jiān)控上位軟件、繼電器輸出、網(wǎng)絡交換機

七、通訊與平臺協(xié)議

Modbus?TCP、RS485、以太網(wǎng)、電力SCADA平臺對接、數(shù)據(jù)遠傳、斷電存儲、歷史溫度曲線、溫度報表、報警上傳

八、論文專用檢索關(guān)鍵詞

分布式光纖測溫；DTS；電力設(shè)備；電纜隧道；母線槽；早期預警；多級溫度閾值；感溫光纜；拉曼散射；抗電磁干擾；故障定位；電纜過熱

九、營銷長尾關(guān)鍵詞

電力電纜在線測溫系統(tǒng)、電纜隧道光纖測溫解決方案、母線槽過熱監(jiān)測設(shè)備、管廊電力艙DTS監(jiān)測、無源抗電磁測溫裝置、高壓電纜故障預判系統(tǒng)、電廠空冷島分布式溫度監(jiān)測、消除電纜監(jiān)測盲區(qū)