基于分布式光纖測(cè)溫的電力電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

田曉霄，李水清，陳泰，方臨川

(正泰電氣股份有限公司，上海 201610)

0 引言

電力電纜是電力傳輸?shù)闹匾d體，它的運(yùn)行溫度制約著高壓超高壓輸配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，溫度升高會(huì)使絕緣老化，泄露電流增大，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。因此，無(wú)論是從電力電纜自身安全運(yùn)行角度考慮，還是從電力系統(tǒng)調(diào)度需要角度考慮，都迫切需要建立高壓超高壓電力電纜實(shí)時(shí)在線測(cè)溫系統(tǒng)(HAEHVPCTOMS)[1]。

目前國(guó)內(nèi)外所采取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度方法主要有點(diǎn)式測(cè)溫和線式測(cè)溫兩種。點(diǎn)式測(cè)溫主要是指將熱電偶等點(diǎn)式感溫裝置裝在電纜重要部位進(jìn)行測(cè)溫，此方法只能測(cè)量局部位置溫度，而無(wú)法對(duì)動(dòng)輒十幾公里的電纜線路實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)，而且測(cè)量精度也較低;線式測(cè)溫隨電纜本體全線敷設(shè)測(cè)溫光纖，基于光纖光柵原理的測(cè)溫、基于拉曼散射原理的分布式測(cè)溫原理，能連續(xù)測(cè)量和準(zhǔn)確定位光纖所處空間各點(diǎn)的溫度，且測(cè)量精確度較高。因此，分布式測(cè)溫系統(tǒng)在電纜測(cè)溫應(yīng)用前景較好[2－3]。

1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的原理

1.1 光纖拉曼散射測(cè)溫原理

在光纖傳輸過(guò)程中當(dāng)激光脈沖與光纖分子相互作用時(shí)，可以發(fā)生多種形式的散射，

拉曼散射(Roman散射)是由于光纖分子的熱振動(dòng)和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，產(chǎn)生兩種光波，一種是隨溫度變化而變化的反斯托克斯光(Anti-Stokes光)，一種是與溫度無(wú)關(guān)的斯托克斯光(Stokes光)。分布式測(cè)量就是通過(guò)測(cè)量入射光和反射光之間的時(shí)間差，來(lái)計(jì)算出發(fā)射散射光的位置距離入射端的長(zhǎng)度。

用反斯托克斯光和斯托克斯光的比值表示溫度:

其中Ia、Is分別是反斯托克斯和斯托克斯的光強(qiáng)度，λa、λs分別是反斯托克斯和斯托克斯的波長(zhǎng);h為普朗克常量;c為光速;μ為每米波數(shù);k為波爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度[4]。

1.2 定位原理——光時(shí)域反射(OTDR)原理

OTDR技術(shù)主要用于檢驗(yàn)光纖損耗特性及光纖故障，同時(shí)也是分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)距離定位的基礎(chǔ)。技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 光纖光時(shí)域反射原理圖

入射光脈沖經(jīng)過(guò)傳感光纖的一端F，其中大部分光脈沖從光纖末端消失，一小部分由光纖反射回來(lái)。設(shè)后向反射光從光纖中點(diǎn)到F斷所需的時(shí)間為t/2，則:

式中v為光在光纖中傳播的速度，C為光速，n為光纖折射率。

因此利用光時(shí)域反射技術(shù)可以確定沿光纖溫度場(chǎng)中每個(gè)溫度采集點(diǎn)的距離及異常溫度點(diǎn)、光纖斷裂點(diǎn)的距離定位信息[5－6]。

1.3 溫度的標(biāo)定

在實(shí)際的測(cè)量中，為了解決溫度傳感器的溫度基準(zhǔn)問(wèn)題，需要在光纖上設(shè)置定標(biāo)區(qū)。將定標(biāo)區(qū)設(shè)置在光纖的前200 m，放入恒溫箱作為參考光纖，設(shè)置溫度為T0，則:

在設(shè)定定標(biāo)區(qū)后，通過(guò)R(T)的值來(lái)確定沿光纖各測(cè)量點(diǎn)的溫度值[7]。

2 分布式測(cè)溫系統(tǒng)的組成

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要由光纖激光器、傳感光纖、光纖定向耦合器、光纖波分復(fù)用器數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

將傳感光纖放置在待測(cè)溫度場(chǎng)中，由DSP處理器發(fā)出控制脈沖，啟動(dòng)脈沖光纖激光器開始工作，同時(shí)發(fā)出指令啟動(dòng)高速采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。激光在光纖中傳輸時(shí)，通過(guò)分光器，可以分 別 濾 出 Stokes光 和 Anti-Stokes光。兩種光在APD中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，Anti-Stokes光攜帶有溫度信息，Stokes光作為參考光源;兩路光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路，被高速數(shù)據(jù)采集模塊采集并處理成溫度信息，并傳輸給DSP處理器，并將結(jié)果提供給PC機(jī)供操作者使用查詢。

3 分布式測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

分布式測(cè)溫系統(tǒng)主要由高速的AD9288和TMS320vC5402 DSP完成對(duì)信號(hào)的采集，并通過(guò)串行通信的方式將數(shù)據(jù)傳送給液晶屏，即采用串口將采集到的數(shù)據(jù)送到上位PC機(jī)。

3.1 高速數(shù)據(jù)采集電路的實(shí)現(xiàn)

高速數(shù)據(jù)采集電路性能是整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)處理的關(guān)鍵，高速數(shù)據(jù)采集電路主要分為光電轉(zhuǎn)換電路和高速A/D轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換電路部分的主要器件為APD和運(yùn)算放大器AD708，電路圖如圖3所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路圖

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

為達(dá)到高速數(shù)據(jù)采集目的，采用FPGA直接控制A/D轉(zhuǎn)換的方式達(dá)到。由系統(tǒng)精度的要求，A/D的轉(zhuǎn)換速率要達(dá)到100 MHz，而且是兩路信號(hào)輸入并且模擬帶寬不能小于100 M，綜合性價(jià)比選擇ADI公司的AD9288。將采集到的數(shù)據(jù)傳送給 DSP處理，其測(cè)溫電路圖如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

3.3 系統(tǒng)軟件部分的實(shí)現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行軟件流程圖

應(yīng)用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)獲取溫度之后，針對(duì)電纜監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，還定制了專門用于電纜溫度在線監(jiān)測(cè)的軟件功能。以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、計(jì)算和報(bào)警顯示。系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖5所示。

4 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度

針對(duì)電力行業(yè)220kV高壓電纜的分布式光纖測(cè)溫的實(shí)際工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)過(guò)程中選用了低煙無(wú)鹵阻燃性非金屬感溫光纜。該型號(hào)光纜為多模光纖，參數(shù)要求衰減＜2.4 dB/km。探測(cè)光纜采用外置式安裝方式沿著電纜表面敷設(shè)，且每隔1 M用光纜固定夾具進(jìn)行綁扎。這種安裝方式簡(jiǎn)單，制造和安裝成本低，光纖熔接點(diǎn)少，具有更佳的光纖衰減。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并與熱電偶測(cè)量值進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)溫試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，利用拉曼散射原理和OTDR原理，開發(fā)了以DSP和FPGA構(gòu)成的信號(hào)處理單元，通過(guò)一系列軟件算法處理，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜溫度，并對(duì)電纜故障進(jìn)行精確定位。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)在線測(cè)溫誤差較小，實(shí)時(shí)性能較好，可以為用戶提供電纜實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障。

[1]趙勇.光纖傳感原理與技術(shù)[M].北京:淸華大學(xué)出版社，2007，8.

[2]李圣普，王小輝.分布式光纖測(cè)溫在動(dòng)力電纜溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.2012，11(40):99－101.

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[5]孫靜，趙子玉.電力電纜溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[J].電線電纜.2011，2(1):40－46.

[6]郝學(xué)磊，陳鵬.基于分布式光纖測(cè)溫的電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].通信電源技術(shù).2013，30(2):59－60.

[7]徐元哲，王樂(lè)天.電力電纜接頭測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù).2009，35(12):2977－2980.