分布式傳感器在電力電纜溫度系統(tǒng)中的應(yīng)用

分布式傳感器在電力電纜溫度系統(tǒng)中的應(yīng)用

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。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量光纖長(zhǎng)度上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式表示被測(cè)點(diǎn)的溫度隨光纖長(zhǎng)度的變化。電力電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心——基于拉曼分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，如圖l所示。該系統(tǒng)分為光纖溫度場(chǎng)信息采集、光電探測(cè)和電路信號(hào)后處理3個(gè)子系統(tǒng)。

2．1 光纖溫度場(chǎng)信息采集

光纖溫度場(chǎng)信息采集子系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器及其脈沖驅(qū)動(dòng)電路、光功率放大器(EDFA)、光纖分束器、傳感光纖及窄帶光濾波器。激光技術(shù)中激光高速調(diào)制與大功率輸出是一對(duì)矛盾，大功率激光器窄脈沖調(diào)制困難；同時(shí)其驅(qū)動(dòng)電流大，而大電流、窄脈沖的激光器驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)困難。光通信采用950 nm的高速調(diào)制半導(dǎo)體激光器則易于實(shí)現(xiàn)10 ns的脈沖輸出。使用光功率放大器提升光功率可獲得瓦數(shù)量級(jí)光功率輸出。采用30 dB以上功率放大倍數(shù)的低噪聲EDFA摻鉺光纖放大器。選用插入損耗小，分束比高的光纖分束器以保證最小光能量損失。為了能夠最大幅度提高整個(gè)系統(tǒng)的信噪比SNR，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高技術(shù)指標(biāo)要求。光發(fā)射端采用EDFA提升發(fā)射光功率和信號(hào)光功率。圖2為光源和光電轉(zhuǎn)換部分框圖。

2．2 光電探測(cè)

采用波長(zhǎng)為150 nm的InGaAs高量子效率的APD及噪聲的前放單元，實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的接收轉(zhuǎn)換和低噪聲預(yù)放大。主放大電路主要完成信號(hào)光經(jīng)光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為光電流形式，再經(jīng)其自身帶有的低噪聲前置放大后，輸出差動(dòng)形式的電平信號(hào)，進(jìn)入寬帶放大電路。

2．3電路后處理

電路后處理子系統(tǒng)包括信號(hào)采集和處理2部分。2路系統(tǒng)被測(cè)信號(hào)經(jīng)前置放大后，變成O～2 V的信號(hào)分別送至模擬開(kāi)關(guān)，分時(shí)選通后送入差分輸入器送至A／D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器被DSP信號(hào)觸發(fā)后啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在外擴(kuò)的RAM中。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定數(shù)量后，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。提取其中有效數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，最后將處理結(jié)果傳給上位機(jī)最示。圖3是A／D轉(zhuǎn)換器采集和通過(guò)DSP處理的結(jié)構(gòu)框圖。

分布式光纖拉曼后向散射溫度傳感器的傳感信號(hào)屬于淹沒(méi)在噪聲中的時(shí)間快速變化信號(hào)，而其頻帶極寬。后向散射隨時(shí)間變化的微弱信號(hào)波形的每一點(diǎn)幅值與時(shí)間的關(guān)系，均代表空間各點(diǎn)位置的溫度變化，因此快速恢復(fù)需整個(gè)傳播與接收時(shí)間內(nèi)的散射光波。分布式光纖溫度傳感器中采用時(shí)域積累平均改善信噪比并恢復(fù)波形的方法，即采用多點(diǎn)平均的線性累加模式經(jīng)多點(diǎn)積累平均后。輸出信噪比為：

采用數(shù)字平均法可大大提高采樣信號(hào)的信噪比，有效地從噪聲中提取微弱信號(hào)。而且，這種方法對(duì)具有專門(mén)累加指令和零開(kāi)銷循環(huán)指令的DSP易于實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)實(shí)例

分布式光纖傳感器在高壓電力電纜中的安裝法通常有表貼式和內(nèi)絞合式。電纜內(nèi)部的內(nèi)絞合光纖能對(duì)負(fù)載的變化做出快速響應(yīng)，而綁縛在電纜表面的表貼光纖由于受電纜外界環(huán)境以及電纜本身絕緣屏蔽層的影響，無(wú)法真實(shí)跟蹤負(fù)載的實(shí)時(shí)變化情況，僅能反應(yīng)電纜周?chē)h(huán)境的溫度變化情況。

高壓電力電纜故障多數(shù)是因?yàn)橹鹨鸬?，包括?nèi)外部火源。內(nèi)部火源主要是電纜絕緣老化，引起發(fā)熱著火。外部火源是指電纜隧道或電纜夾層內(nèi)其他火源及隧道外各種火源。外部火源可使電纜表層著火，產(chǎn)生大量的熱和煙。把到達(dá)起火前的溫度點(diǎn)設(shè)為閩值，超過(guò)閾值系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

分布式光纖傳感系統(tǒng)除應(yīng)用于高壓電力電纜測(cè)溫外。還可監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)光纜。電力系統(tǒng)光纜種類繁多，加之我國(guó)地域廣闊，各地環(huán)境差異很大，所以光纜的環(huán)境復(fù)雜，其中溫度和應(yīng)力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此，在監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)的同時(shí)也應(yīng)監(jiān)測(cè)光纜所處溫度和應(yīng)力情況，這對(duì)光纜的故障預(yù)警及維護(hù)具有廣泛意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于分布式光纖傳感技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)能在整條光纖的長(zhǎng)度上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式給出被測(cè)溫度隨光纖長(zhǎng)度方向的變化信息。將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設(shè)施，實(shí)時(shí)測(cè)量其溫度、壓力等參數(shù)，并及時(shí)排險(xiǎn)，從而盡可能減少經(jīng)濟(jì)損失，為電力設(shè)備安全運(yùn)行提供保障。