應(yīng)用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感新技術(shù)
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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 realtime 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 highvoltage cable. In addition, the research indicates that the assemblage mod e of fiber can influence the thermometric accuracy.
Key words：highvoltage 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)測量 光纖沿線各點(diǎn)的溫度，目前，國外產(chǎn)品的測量距離可在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)測量的特點(diǎn)，特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測量的應(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)測以及電纜發(fā)生斷線故障時(shí)斷點(diǎn)位置的測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，這就是利用光纖測量溫度的基本原理。
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。
4光纖安裝位置對(duì)測溫精度的影響
電纜光纖分布式測溫技術(shù)的核心問題是要提高測溫精度，而溫度測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。
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。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
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評(píng)論