應(yīng)用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感新技術(shù)

作者：時(shí)間：2011-04-01 來源：網(wǎng)絡(luò)

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
  海量資料庫查詢

Application of Distributed Temperature Sensing Technology in HighVoltage Cable
CHEN Jun, LI Yongli
(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract：The technology of distributed temperature sensing is a novel technique surveying the realtime distribution of spatial temperature pattern.This technology is b ased on the propagation characteristic of laser spreading in optical fiber. The distributed temperature of the field along the fiber can be continuously measure d by this technology.This paper introduces the thermometric fundamentals of the sensing technology and its application in detecting the interior temperature of highvoltage cable. In addition, the research indicates that the assemblage mod e of fiber can influence the thermometric accuracy.
Key words：highvoltage cable；optical fiber；DTS；OTDR

1前言

分布式溫度傳感(DTS:distributed temperature sensing)技術(shù)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場分布的傳感技術(shù)。該技術(shù)利用光時(shí)域反射(OTDR:optical time domain re flectometry)原理、激光喇曼光譜原理，經(jīng)波分復(fù)用器、光電檢測(cè)器等對(duì)采集的溫度信息進(jìn)行放大并將溫度信息實(shí)時(shí)地計(jì)算出來［1］。目前，國外(主要是英國、日本等國)已利用激光喇曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品［2］，而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作，現(xiàn)已研制成功基于分布式光纖溫度傳感原理的一系列產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用在航空航天、石油測(cè)井、電力、冶金、煤礦等領(lǐng)域中［3］。國內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術(shù)引入電力系統(tǒng)電纜測(cè)溫的研究工作只是剛剛開始。

分布式光纖傳感技術(shù)具有抗電磁場干擾、工作頻率寬、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線各點(diǎn)的溫度，目前，國外產(chǎn)品的測(cè)量距離可在1~30km范圍內(nèi)，空間定位精度達(dá)到1m之內(nèi)，溫度分辨率達(dá)到1℃［4，5］。其能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場合。由于這種光纖傳感技術(shù)采用的是普通光纖，因而，其在高壓電力電纜載流量的動(dòng)態(tài)計(jì)算（用纜芯溫度間接反映），長距離電纜接頭處的溫度監(jiān)測(cè)以及電纜發(fā)生斷線故障時(shí)斷點(diǎn)位置的測(cè)量等場合具有廣泛的應(yīng)用前景。

2光纖分布式溫度傳感原理

光纖溫度傳感原理的主要依據(jù)是光纖的光時(shí)域反射(OTDR)原理以及光纖的后向喇曼散射 (raman scattering)溫度效應(yīng)［6］。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射人光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。因光纖內(nèi)壁類似鏡面，故光脈沖在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反。這種后向反射光的強(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說，后向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測(cè)量出后向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測(cè)量溫度的基本原理。

用公式來表達(dá)：當(dāng)頻率為ν0的激光入射到光纖中，它在光纖中向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些后向散射光波中除了有一條與入射光頻率ν0相同的中心譜線之外，在其兩側(cè)，還存在著(ν0-Δν)及(ν0+Δν)的兩條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線，低頻一側(cè)頻率為(ν0-Δν)、波長為λs的譜線稱為斯托克斯線(st ocks)，高頻一側(cè)頻率為(ν0+Δν)、波長為λa的譜線，稱為反斯托克斯線(A ntistokes)。根據(jù)喇曼散射理論，在自然喇曼散射條件下，兩束反射光的光強(qiáng)與溫度有關(guān)。為了消除激光管輸出的不穩(wěn)定、光纖彎曲、接頭的損耗等影響，提高測(cè)溫準(zhǔn)確度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用雙通道雙波長比較的方法，如圖1所示，即對(duì)AntiStocks光和Stock s光分別進(jìn)行采集，利用兩者強(qiáng)度的比值解調(diào)溫度信號(hào)。由于AntiStocks光對(duì)溫度更為靈敏，因此，將AntiStocks光作為信號(hào)通道，Stocks光作為比較通道，則兩者之間的強(qiáng)度比為［7］

式中：λs和λa分別為Stocks和AntiStocks光波長；h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；ν0為入射光頻率；T為絕對(duì)溫度。

從式(1)中可以看出，R(T)僅與溫度T有關(guān)，而與光強(qiáng)、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關(guān)。因此，借助探測(cè)反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光強(qiáng)之比值可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。另外，利用OTDR技術(shù)，還可以根據(jù)激光后向散射信號(hào)在光纖中的損耗來監(jiān)測(cè)光纖的故障點(diǎn)和斷點(diǎn)的位置，進(jìn)而獲知電纜斷線的有關(guān)信息。

3光纖分布式測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)方法

如圖2所示的結(jié)構(gòu)圖可用來實(shí)現(xiàn)上述的光纖分布式測(cè)溫原理［8］。在同步控制單元的觸發(fā)下，光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一大電流脈沖，該脈沖驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生大功率的光脈沖，并注入激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖要經(jīng)過光路耦合器后進(jìn)入一段放置在恒溫槽中的光纖（用于系統(tǒng)標(biāo)定），然后進(jìn)入傳感光纖。當(dāng)激光在光纖中發(fā)生散射后，攜帶有溫度信息的喇曼后向散射光將返回到光路耦合器中，光路耦合器不但可以將“發(fā)射機(jī)”產(chǎn)生的光脈沖直接耦合至傳感光纖，而且還可以將散射回來的不同于發(fā)射波長的喇曼散射光耦合至分光器。分光器由兩個(gè)不同中心波長的光濾波器組成，它們分別濾出Stocks光和AntiSt ocks光，兩路光信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，然后由數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后經(jīng)過對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理（提高信噪比），用于溫度的計(jì)算。

根據(jù)式(1)可以得到

因而，在測(cè)溫系統(tǒng)標(biāo)定后，通過測(cè)定R(T)，利用已知溫度T0下的光強(qiáng)之比R(T0)，根據(jù)后向光波的傳播時(shí)間，就可以確定沿光纖各測(cè)量點(diǎn)的溫度值。

4光纖安裝位置對(duì)測(cè)溫精度的影響

電纜光纖分布式測(cè)溫技術(shù)的核心問題是要提高測(cè)溫精度，而溫度測(cè)量的精度需要考慮入射光強(qiáng)度、系統(tǒng)噪聲、喇曼散射系數(shù)、疊加次數(shù)與溫度分辨率等幾個(gè)方面的因素［9］。另外，光纖的安裝方式對(duì)溫度測(cè)量的精度也有著直接影響。

光纖的安裝方法通常有兩種，一種是表貼式，另一種是內(nèi)絞合式，以110kV線路中使用的三芯電纜為例，示意圖如圖3所示。這兩種光纖安裝方法在溫度測(cè)量上有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在圖4中［10］，圖4(a)所示的是美國奧克蘭地區(qū)1999年6月份的用電量分布圖，其中選定該地區(qū)6月份的平均日用電量為基準(zhǔn)值；而圖4(b)所示為6月份在兩種光纖安裝方式下所測(cè)溫度的分布圖。從圖中可以看出，與綁縛在電纜表面的光纖相比，安裝在電纜內(nèi)部的內(nèi)絞合光纖能夠?qū)ω?fù)載的變化做出更快的響應(yīng)。而綁縛在電纜表面的光纖（表貼光纖）由于受到電纜外界環(huán)境以及電纜本身絕緣屏蔽層的影響，幾乎無法真實(shí)地跟蹤負(fù)載的實(shí)時(shí)變化情況，其僅能反應(yīng)電纜周圍環(huán)境的溫度變化情況。

因而，在理想情況下，光纖應(yīng)被置于盡可能的靠近電纜的纜芯的位置來更精確地測(cè)量電纜的實(shí)際溫度。但是，為了接近纜芯而破壞電纜絕緣層的方法是不實(shí)用的，而將光纖作為電纜的一部分，在加工電纜時(shí)就預(yù)埋進(jìn)去的方法將會(huì)使得光纖不得不經(jīng)受一些高壓電纜的制造程序中可能包括的高溫?cái)D壓和各種各樣的彎曲操作，這種方法會(huì)大大提高電纜的制造加工成本。目前，國外一些生產(chǎn)廠家所使用的加工方法是，將一根具有良好柔韌性的空管子裝在電纜內(nèi)部或者是在電纜安裝好后固定在電纜表面，然后把光纖吹入空管子中。按照這種方法，光纖的安裝將不受電纜的制造和安裝過程的支配，而且可以極為方便地對(duì)光纖進(jìn)行更換。該方法使光纖傳感元件不會(huì)受到任何由于電纜加工或者安裝造成的彎曲變形的影響。

對(duì)于直埋動(dòng)力電纜來說，表貼式光纖雖然不能準(zhǔn)確地反映電纜負(fù)載的變化，但是其對(duì)電纜埋設(shè)處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。

5結(jié)論

光纖分布式溫度傳感作為一種高新技術(shù)能對(duì)電力系統(tǒng)中的高壓電纜進(jìn)行全線的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。該技術(shù)在地下電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所出現(xiàn)的溫度奇異點(diǎn)的識(shí)別、系統(tǒng)實(shí)時(shí)負(fù)載能力的計(jì)算、電網(wǎng)短期超負(fù)荷能力的計(jì)算、電纜的載流量最優(yōu)化配置以及實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)調(diào)配等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)
［1］李偉良,張金成(Li Weiliang,Zhang Jincheng).光

液位計(jì)相關(guān)文章:磁翻板液位計(jì)原理