分布式光纤温度监测系统

来源：上海坤友机电设备有限公司作者：发布日期：2008-7-10 14:15:55

光纤温度监测系统'>分布式光纤温度监测系统

型号：KISS-DTS系列

随着我国经济的发展，电力系统正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向发展，一旦发生事故则损失巨大。在很多场合下温度已经成为关键因素，电力系统大量的隧道电缆、中高压开关设备、变压器等设施在长期运行过程中由于各种原因出现温度异常，这些设备一旦出现事故会造成巨大的损失。因此，对电力设备进行精确的、实时的温度监测与报警对于提前发现安全隐患和及时的采取应对措施具有重大意义。

如何对正在运行的电力设备实施在线检测并进行安全预测和温度趋势变化分析？如何通过实时数据对设备质量、工程质量、运行环境、运行方式、设备老化疲劳状态、负荷不平衡等进行科学分析？多年来，由于技术水平的局限，传统的红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、热电阻式测温系统无法彻底解决上述问题，因此无法为安全、经济运行、高效检修提供科学依据。

光纤温度监测系统'>分布式光纤温度监测系统彻底地解决了以上问题，实现了电力系统运行设备的实时在线检测，通过对设备实时数据的分析和预测，将故障、事故消除在萌芽状态，真正地作到防患于未然。同时，这些实时数据和分析预测结果也为今后实现状态检修，提高检修效率，降低检修成本和管理成本起到关键的作用。随着光纤应用技术的发展，光纤测温系统目前已成为世界上最先进、最有效的连续分布式温度监测系统，广泛应用于电力、石化、交通、钢铁等工业场所。

1、应用领域

1）电力电缆在线温度监测

u 电缆运行状态监测
通过对电力电缆的在线监测，实时掌握整条线路的运行状态，有效监测电缆在不同负载下的发热状态，提高对电缆管理的水平。

u 电缆沟内火情监测与报警探测

识别电力电缆的局部过热点，提前发现电缆故障并预警，预防事故的发生。

u 优化输配电的资本
根据温度可以确定电缆的负荷变化，合理的配置负荷，同时合理的扩大现有电缆的容量，增加电缆的工作寿命。

u 实时故障监测

发现电缆运行过程中的外力破坏。

2) 发电厂、变电站及大型冶金及石化企业的电缆桥架和电缆沟的温度监测

电缆沟防火直接关系到发电机组的安全运行，根据电力事故分析，由于电缆故障引起的火灾事故占相当大比例。通过继电器与火灾报警主机结合实现联动，实时温度监测提前预警并且及时采取应对措施。

3) 交通运输领域的温度监测及火灾报警系统

如高速公路隧道、过江隧道、地铁、铁路、机场、船舱等防火、火情监测，可以设置多个报警输出，同时启动强制通风，关闭火灾信道等。

4）油库、军火库、危险品库、粮库、冷库及其它仓库的温度报警系统

危险区域的温度测量和监控，设备简单，无外加电源，受监控的区域不带电。

5）石油、天然气行业

油罐、石油/天然气管道或储罐温度监测和泄露探测以及油田和天然气竖井的温度检测。

图1.1 电力电缆温度监测图1.2 电缆接头温度监测

图1.3 油田油井温度监测图1.4 公路隧道温度监测

图1.5 输油管道温度监测图1.6 油罐温度监测

2、光纤 温度监测系统'>分布式光纤 温度监测系统KISS-DTS系列介绍

KISS-DTS系列光纤温度监测系统'>分布式光纤温度监测系统，由山东微感光电子有限公司依托英国ISS公司的先进核心技术及山东省科学院强大的研发实力进行开发设计并成套生产。该分布式光纤测温系统依据后向喇曼（Raman）散射原理，是目前世界上最先进、最有效的连续分布式温度检测系统。该系统集计算机、光纤通讯、光纤传感、光纤传输、光电控制等技术于一体，具有本质安全，长期可靠，不受电磁干扰，测温精度高，实时在线等优点，实现了电力系统运行设备的实时在线检测，通过对设备实时数据的分析和预测，将故障、事故消除在萌芽状态，真正地作到防患于未然。目前已经在国内外电力客户中广泛应用并得到认可。

2.1测量原理

光纤测温原理：

光纤测温的原理是依据后向喇曼（Raman）散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用, 发生散射。散射有多种，其中喇曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯（Stokes）光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯（Anti-Stokes）光。反斯托克斯光信号的强度与温度有关，斯托克斯光信号与温度无关。从光波导内任何一点的反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号强度的比例中，可以得到该点的温度。利用光时域反射技术（OTDR）技术通过光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些热点进行定位。利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

图2.1 光的散射图谱

光缆

报警输出

数据传输

（RJ45接口）

测温主机

控制（DB15接口）口）

工控机

图2.2 多通道光纤分布式测温系统结构图

上图显示了喇曼温度测量系统的组成。温度测量系统由工控机、测温主机和作为线形温度传感器的玻璃光纤（光波导）组成，而测温主机由激光源、光器件和微处理单元组成。

测温系统内部由三个监测单元组成，两个单元信道(反斯托克斯和斯托克斯)和一个参考信道，这些背光散射的幅值和各点的喇曼散射光的强度成比例，从两个测量信道得到幅值的关系即可得到沿传感器电缆的光纤温度。

2.2 KISS-DTS监测系统主要功能和组成

监测系统建立在其科技领先的最新一代 KISS-DTS 系列产品基础之上。为电缆监测提供了一个实时、多对象、多测量点、高精度、高可靠性的解决方案。

2.2.1 KISS-DTS监测系统的主要功能

KISS-DTS系列产品以连续的光缆为传感器，将光缆和监测对象敷设在一起，使光缆处在监测对象的温度场中。

l 通过测量光缆的温度便可得知监测对象的温度曲线

l 通过实时监控得知监测对象的实时温度状态

l 设立报警参数，对温度进行分析进行预警及报警

l 通过对监测对象进行在线实时温度监测，保证监测对象在不超过允许运行的温度状态下，保证监测对象正常运行

2.2.2 KISS-DTS监测系统的组成

图2.3 ISS-DTS系列监测系统

一个标准的分布式光纤测温系统包含如下组件：

l 分布式光纤测温主机系统（DTS）

包括：开关电源模块、模拟电源模块、光电转换和放大器模块、模数转换与数字信号处理模块、激光器和控制模块

l 温度监测软件系统

包括：温度数据监测模块、报警控制模块

l 温度传感系统

包括：感温光缆（耐高温铠装光缆、普通铠装光缆）

l 光信道转换系统

包括：多路光转换开关

l 报警系统

包括：声光报警、手机短信报警

l 其他组件

包括：标准机柜、工控机、显示器、激光打印机、网络交换机

2.3系统整体性能和特点

● 系统测量的空间分辨率：1m；

● 系统的温度精度：±1℃；

● 系统采用光时域反射技术（OTDR）及背光散射信号的窄带检测技术，具有更高的信噪比；

● 多路光转换开关：KISS-DTS采用的光学开关，无磨损，体积小，寿命长；

● 感温光缆：KISS-DTS采用的感温光缆比普通的通讯光缆衰减小，水峰小；

● KISS-DTS系统软件上至少可分128个区域，每个区域可以独立报警；

● 系统采用TCP/IP现行网络技术，能与电力系统的SCADA系统方便连接，实现信息共享及远程管理；

● 强大的自主软、硬件研发能力，充分满足用户特殊的系统功能要求和组网要求；

● 采用模块化的主机结构，简便了系统维护，并使系统的升级十分简单；

● 拥有具有丰富现场经验的高素质施工队伍。在电缆中间头和终端头处光缆的连接及引出上，有丰富经验的专业技术人员进行指导。

3、KISS-DTS系统技术规范

3.1KISS-DTS系统主要技术参数简介

表3.1 KISS-DTS系统主要技术参数

项目	单位	参数值	备注
测温距离	km	4	2/4/6/8/10/30km可选
测温范围	℃	-50～350
温度分辨率	℃	1
测温精度	℃	±1	可根据距离取精确值
测温响应时间	s	<5	单通道/km/10000次
空间分辨率	m	1
定位精度	m	±1.5
信道数	-	1－16	可扩展
系统软件	-	WINDOWS操作系统
外部接口	-	以太网
系统工作温度	℃	-20 ～ +45
电源输入	AC	180～220V/50±5 Hz

3.2 主机描述

主机是系统的核心部件，实现光信号发生、背向散射信号的光谱分析、光电转换、信号放大和信号处理的功能，采用电源和数据总线的模块化结构，包括：

图3.1 DTS主机

1）开关电源模块

把交流220V电源转换为直流电源。

2）模拟电源模块

提供光电探测器和放大器用的高精度直流电源。

3）光电转换和放大器模块

内置高速高增益光电探测器和放大器、光电探测器的温度监测和控制部件。其功能是把输入的光信号转换为电信号，并放大到适当的电压水平。

4）模数转换与数字信号处理模块

内置高性能单片机、高速模数转换器和数字信号处理器。其功能是把输入的模拟电信号转换为数字信号，并根据上位机的命令换算为原始数据、温度数据或背景数据。

5）半导体激光器和控制模块

内置高功率半导体激光器及其驱动电路、光电探测器的温度监测和控制电路。其功能是实现光信号的发生和光电探测器的闭环程序温度控制。

6）光纤器件模块

内置光纤滤波器和定标光纤段。光纤滤波器的功能是从背散射光信号中提取与温度有关的感温信号和与温度无关的参考信号；定标光纤段的长度在100米左右，其温度由内置精密测温芯片实时监测，通过定标光纤段测量到的温度与测温芯片测量的温度的比较，来消除系统光源起伏、光电探测器及放大器增益。

3.3 感温光缆

根据测温目的的不同，光缆敷设方式的不同，我们提供多种型式的感温光缆供用户选择，比如，用于火情监测时，光缆带钢丝铠装，耐温可达几百度，以下介绍一种标准感温光缆的技术规范：

技术参数如下：

表3.2 光缆技术参数表

技术参数名称	铠装软光缆
光纤模式	62.5/125μm多模光纤
芯数	2芯
外部直径	不大于4mm
外护套材料	低烟无卤，阻燃型热塑材料
不锈钢管外径	不大于1.8mm
不锈钢管壁厚	不小于0.2mm
抗张强度	敷设时不小于1000 N
抗张强度	工作时不小于600 N
抗压强度	敷设时不小于 1000 N/10cm
抗压强度	工作时不小于 300 N/10cm
线性碾压力	300N/cm引起～0.3mm的变形
允许的曲率半径	敷设时：光缆外径的20倍
允许的曲率半径	工作时：光缆外径的10倍
温度范围	长期：-40 ℃～85 ℃
温度范围	短时（60min）：-50 ℃～120 ℃
使用年限	30年
标准	IEC 60332-3C