基于光電纜的分布式溫度傳感網(wǎng)絡的實驗研究

摘要：本文提出增加一根光纖光柵與光電纜繞制在一起，用于監(jiān)測電纜中的實時溫度。采用有限元分析方法，建立了光電纜溫度場模型。使用可調(diào)諧脈沖激光為光源，在一根光纖上刻制多個相同中心波長的布拉格光柵，即采用全同光柵作為系統(tǒng)的溫度傳感器，當光電纜線路中溫度發(fā)生異常時，反射回來的光柵中心波長發(fā)生偏移，通過檢測反射光中心波長發(fā)生的偏移量可以確定光柵溫度變化的大小。不同位置的光柵返回光信號所需的時間不同，通過檢測和計算光返回的不同時間，可以計算出發(fā)生溫度變化的光柵位置。實驗結果表明，光柵的溫度敏感性可以達到11.4 pm/℃，光柵的測量溫度與實際溫度的誤差在3%范圍內(nèi)。

0 引 言

光電纜(Optical Power Cable, OPC)是同時、同路、同走向傳輸電能和光信息的一體化傳輸介質(zhì)，是智能電網(wǎng)建設的基礎。由于光電纜常年置于地下，其潛在的老化和缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，隨著運行時間的增加，有可能因為電纜過熱或者短路而導致火災。并且在高壓傳輸環(huán)境中存在高電壓、大電流、強磁場等因素，這對傳統(tǒng)電類溫度傳感器有著嚴重的干擾。

光纖光柵(Fiber Bragg Grating , FBG)傳感器除了具有一般光纖傳感器耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點之外，還具有波長編碼，抗干擾能力強等特性， 可以實現(xiàn)對目標溫度的快速準確測量。傳統(tǒng)的分布式光纖光柵的測溫方法大多是利用寬帶光源，通過光柵中心波長的變化來檢測出返回的傳感信息，因此光柵的數(shù)量會受到寬帶光源本身帶寬的限制;并且由于功率會因瑞利散射等因素而衰減，信噪比低，所以寬帶光源的傳輸距離也會受到限制。

本文提出了一種低成本、實用性強的方案，系統(tǒng)中采用可調(diào)諧脈沖光源，它具有功率大、能量集中等優(yōu)點，不僅可以使傳輸距離大大增加，而且還突破了寬帶光源的帶寬限制，實現(xiàn)了光纖光柵傳感器的大范圍組網(wǎng)。與其它的光纖光柵測溫系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)不僅能實時監(jiān)測光纖光柵所在位置的溫度變化，而且還能準確定位每個光纖光柵所在的位置。在光電纜生產(chǎn)加工的時候直接把光纖光柵加入到光纜中，可以方便的對光電纜的運行狀況做實時監(jiān)測，光纖光柵與光電纜同步傳輸?shù)姆桨冈谖磥砉怆娋W(wǎng)的發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展前景。

1 光電纜的溫度場分析

利用有限元軟件Ansys 對光電纜的溫度場進行分析。有限元的基本思想是將連續(xù)結構離散成有限個單元，并且在每個單元中設定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連接的*體;同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一個單元中假設一個近似差值函數(shù)，以表示單元場中函數(shù)的分布規(guī)律;并利用某些變分原理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元方程，將一個連續(xù)域中無限自由度的問題轉(zhuǎn)化為離散域中自由度的問題?？梢岳媒獾玫墓?jié)點值和設定的插值函數(shù)來確定單元上以至*體上的場函數(shù)，從而對復雜區(qū)域和復雜邊界問題的求解帶來極大的適應性和靈活性，具有較高的計算精度。因此本文采用有限元法分析光電纜溫度場分布。

1.1 光電纜結構

光電纜是將通信光纜與高壓電纜放置在一起，同時傳輸電能和信息的一體化傳輸介質(zhì)。本文提出的光電纜模型是由中心為一根光纖光柵，四周由三根電纜和一根光纜構成。其中三根電纜的每個電纜芯截面為半徑2 cm、圓心角為90 °的扇形，光纜芯截面為直徑為2 cm 的圓形，結構如圖1 所示。

圖1 光電纜結構圖

1.2 溫度場中導熱微分方程

笛卡爾坐標系中溫度場中用來描述三維導熱微分方程的一般形式為：

式中：ρ 、c、λ 和Φ 分別為微元體的密度、比熱容、導熱系數(shù)及單位時間單位體積中內(nèi)熱源的生成熱，t為時間。

1.3 左、右和下邊界條件

設電纜位于無限大的土壤中，用柱坐標對場域進行表達，則：

式中：T1、T2 分別是電纜表皮溫度和土壤溫度，r1、r2 分別為電纜直徑和土壤外徑，λ為導熱系數(shù)，q 為體積發(fā)熱量。

1.4 上邊界條件

表層土壤和空氣的換熱屬于自然對流換熱，換熱系數(shù)：

式中：d 為土壤溫度，Nu = C(Gr Pr)n，Gr為格拉曉夫數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，查表可得參數(shù)C和n 的值。根據(jù)對流換熱牛頓公式得出土壤表層溫度梯度：

式中：T1、T2 分別為土壤表層和空氣的溫度，α為對流換熱系數(shù)，λ為土壤導熱系數(shù)。求出土壤表層溫度梯度后可求出土壤表層溫度，因為電纜剖面是對稱的，所以可結合熱傳導方程和邊界條件對電纜截面進行溫度場仿真。