分布式傳感器在電力電纜溫度系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓電力電纜溫度狀態(tài)，針對(duì)其高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)工作環(huán)境提出基于分布式光纖傳感器的高壓電力電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用DSP的快速累加，并利用Stokes信號(hào)解調(diào)Anti-Stokes信號(hào)，極大提高信噪比。此外，還介紹該系統(tǒng)在電力電纜中的實(shí)例應(yīng)用，闡述其在電力系統(tǒng)中的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：分布式光纖；OTDR；后向拉曼散射；溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，單晶光纖是目前高溫環(huán)境下最適用的光波導(dǎo)材料之一，其測(cè)量溫度最高2 000℃，溫度分辨率0．1℃，因而利用光纖傳感技術(shù)設(shè)計(jì)高壓電力電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有精度高、堅(jiān)硬而且彎曲靈活、體積小和抗電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。高壓電力電纜網(wǎng)是呈一定空間分布的場(chǎng)，為了獲得被測(cè)對(duì)象較完整的信息，采用基于拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)在空間狹小、強(qiáng)電磁場(chǎng)、易燃及易爆等惡劣環(huán)境中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)構(gòu)成原理
光纖的光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)是實(shí)現(xiàn)分布測(cè)量的基本依據(jù)。當(dāng)窄帶光脈沖被注入光纖中時(shí)，通過(guò)測(cè)后向散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化關(guān)系檢查光纖的連續(xù)性并測(cè)量其衰減。
激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，產(chǎn)生拉曼散射。拉曼散射是由光纖中非傳播的局域密度不均勻和成分不均勻所致，這種不均勻性是在拉纖階段，二氧化硅由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟虘B(tài)的過(guò)程中形成的。激光脈沖在光纖中所走過(guò)的路程為：2L=vt。其中，t為入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間；v為光在光纖中的傳播速度，v=c／n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率；L為光纖某處到光纖入射端的距離。
在t時(shí)刻測(cè)量距光纖入射端距離為L(zhǎng)處局域的后向拉曼散射光，OTDR為分布式測(cè)量提供可靠的理論依據(jù)。
本系統(tǒng)采用基于Raman后向散射的分布式光纖溫度傳感原理，采用雙通道雙波長(zhǎng)比較方法，即分別采集Anti-Stokes光和Stokes光，利用兩者強(qiáng)度的比值解調(diào)溫度信號(hào)。由于Anti-Stokes光對(duì)溫度更靈敏，因此Anti-Stokes光作為信號(hào)通道，Stokes光作為比較通道，則兩者之間的強(qiáng)度比為

式中，λs，λas分別為Stokes和Anti-Stokes光波長(zhǎng)；h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；k是玻耳茲曼常量；△γ為偏移波數(shù)：T為絕對(duì)溫度。
可見(jiàn)，在測(cè)溫系統(tǒng)中通過(guò)測(cè)定R(T)就可以確定沿光纖各測(cè)量點(diǎn)的溫度值。