分布式光纖載流量-溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探究

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1、分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探究摘要：針對(duì)電力電纜安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，提出了一種以拉曼分布式光纖溫度傳感技術(shù)為核心的分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)利用拉曼分布式光纖溫度傳感器對(duì)電網(wǎng)中的電力電纜線路的溫度、載流量等運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20km的電纜導(dǎo)體溫度和載流量運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，計(jì)算導(dǎo)體溫度與實(shí)測(cè)導(dǎo)體溫度最大偏差不超過(guò)1",定位精度0.5m,采用有限元算法得到的電纜溫度和電纜載流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系與實(shí)際情況基本吻合。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；拉曼散射；電力電纜

2、；載流量/溫度中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi:10.3969/j.issn.10055630.2013.01.015引言隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)電的需求量越來(lái)越大，水電、火電、可再生發(fā)電系統(tǒng)、城市變電的大規(guī)模建立，電纜輸電任務(wù)隨之加大，如何來(lái)保證電纜的安全正常有效的運(yùn)營(yíng)，保障電纜資產(chǎn)價(jià)值，成為一種迫切需要解決的問(wèn)題。電纜運(yùn)行不安全因素主要為電纜在運(yùn)行時(shí)電纜發(fā)熱，導(dǎo)致電纜溫度過(guò)高致使電纜發(fā)生火災(zāi)。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而另辟新徑的一種嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感具有抗電磁干擾、靈敏度

3、高、安全可靠、耐腐蝕、可進(jìn)行分布式測(cè)量、便于組網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)用光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)電力電纜在線測(cè)溫及載流量［1］的安全監(jiān)測(cè)的研發(fā)和應(yīng)用大多還處于初期研究階段，應(yīng)用也基本停留在對(duì)個(gè)別設(shè)備和某個(gè)部件的監(jiān)測(cè)上。比如MicronOptics公司推出的光纖點(diǎn)式測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的溫度檢測(cè)?；诶植际焦饫w溫度傳感技術(shù)的分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)的載流量/溫度的分布式傳感能力。利用這種特點(diǎn)可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線幾十公里內(nèi)各點(diǎn)的溫度。

4、定位精度W1m,測(cè)溫精度可達(dá)1°C,非常適用于高壓電力電纜的載流量/溫度傳感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)合。1系統(tǒng)工作原理分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由拉曼分布式光纖測(cè)溫傳感器、感溫光纜、載流量軟件以及電流記錄儀組成。拉曼分布式光纖測(cè)溫傳感器［24］能對(duì)電力電纜全線溫度進(jìn)行周期性實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)極易出現(xiàn)故障的電纜接頭進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)技術(shù)利用光纖作為傳感器，將光纖直接敷設(shè)在被測(cè)物體表面，在一定條件下被測(cè)物體各個(gè)位置的溫度信號(hào)會(huì)以光波的形式回傳到光纖端部，最終被提取并顯示出來(lái)。這種技術(shù)只需一根或幾根光纖就可以監(jiān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公

5、里的線型設(shè)備或點(diǎn)式設(shè)備。光纖的拉曼散射與溫度有著密切的關(guān)系。依據(jù)光時(shí)域反射測(cè)定法［5］,將短促的激光脈沖按精確的時(shí)間間隔注入光纖之中。在同一根光纖中，散射光的強(qiáng)度隨時(shí)間呈現(xiàn)出指數(shù)衰減。如果知道光在光纖中的傳播速度，就能計(jì)算出距離。從該指數(shù)衰減的偏差就能得出溫度。光纖既是該信號(hào)的生成器，又是該信號(hào)的渠道。反射光被分流到傳感器中來(lái)加以解碼。在光纖測(cè)溫系統(tǒng)連接的監(jiān)控屏上能同時(shí)顯示距離和溫度數(shù)據(jù)。利用此技術(shù)把光纖與被測(cè)高壓電纜采用接觸方式安裝，測(cè)出高壓電纜表面溫度，根據(jù)表面溫度，電纜結(jié)構(gòu)，輻射環(huán)境等因素，精確計(jì)算出電纜

6、的線芯溫度，通過(guò)線芯溫度計(jì)算出通過(guò)線芯的載流量，并給出電纜對(duì)應(yīng)分區(qū)的最高溫度，電纜的運(yùn)行溫度和電纜的負(fù)荷水平，對(duì)溫度異常點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警。光學(xué)儀器第35卷第1期楊斌，等：分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究拉曼光強(qiáng)差和溫度為：Pa/Ps^exp（-h?c?Av/kT）（1）式（1）中，Pa表示為拉曼散射反斯托克斯光Antistokes功率，Ps為拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h為普朗克常數(shù)，c為光速，Av為拉曼頻移量，T為溫度。溫度探測(cè)距離為z=tV/2（2）其中，t表示兩倍定點(diǎn)距離光傳播時(shí)間，V為光纖

7、中光速。2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：系統(tǒng)由中控室、分布式光纖溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器（PLC）、光纖（纜）等設(shè)備組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)電纜溫度的監(jiān)測(cè)計(jì)算得到電纜載流量變化情況。同時(shí)在電纜隧道中實(shí)現(xiàn)高溫危險(xiǎn)報(bào)警。主要功能包括:(1)分布式光纖溫度傳感器準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量整條電纜的溫度分布。它的探測(cè)范圍：30km,溫度精度：1°C,定位精度:1m；圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig?IThesystemstructurediagram