分布式感溫光纖在大功率發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用探析

金建明（中船重工715研究所，浙江杭州310023）

分布式感溫光纖在大功率發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用探析

金建明
（中船重工715研究所，浙江杭州310023）

分布式感溫光纖在大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用，可以有效監(jiān)測發(fā)射機(jī)核心元器件的溫度情況，進(jìn)而保證大功率發(fā)射機(jī)的正常穩(wěn)定運行。主要對背向拉曼散射光纖的傳感技術(shù)進(jìn)行分析和探討。

分布式感溫光纖；大功率發(fā)射機(jī)；應(yīng)用

0　引言

分布式感溫光纖對大功率發(fā)射機(jī)的溫度檢測和故障診斷上有著非常重要的意義。當(dāng)前，許多電臺的發(fā)射機(jī)功率都特別大，并且逐漸向自動化的方向發(fā)展。然而，一旦大功率發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障問題，這會給電臺的工作帶來很大的問題，積極對發(fā)射機(jī)的溫度進(jìn)行檢測，是保證發(fā)射機(jī)正常工作和穩(wěn)定運行的重要舉措。

1　分布式光纖感溫系統(tǒng)

1.1分布式光纖感溫系統(tǒng)工作原理

隨著社會科學(xué)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，溫度探測警報系統(tǒng)也取得了很大的進(jìn)步[1]。分布式光纖感溫系統(tǒng)主要由感溫光纖組成，通過光纖內(nèi)部散射的特點，把功率特別高的光源，也就是窄帶光脈沖攝入光纖，當(dāng)這個光源從光纖的另外一頭射進(jìn)光纖的時候，激光脈沖就會沿著管線進(jìn)行向前傳播。正是因為光纖內(nèi)部的分子會和激光脈沖發(fā)生彈性以及非彈性的碰撞，這就使得激光脈沖會在傳播過程中每一個點產(chǎn)生反射現(xiàn)象，而在這些激光脈沖反射的時候，會出現(xiàn)反向反射光，這種反向反射光的強(qiáng)度與反射點的溫度有著特定的關(guān)系，反射點也就是光纖所處環(huán)境的溫度越高，反射光的強(qiáng)度也就越大。反射點溫度越低，反射光的強(qiáng)度也就越低，兩者之間成正比例的關(guān)系。分布式光纖感溫系統(tǒng)就是利用這種現(xiàn)象，通過對反射光強(qiáng)度的檢測，了解和掌握光纖所處環(huán)境的溫度特點。

1.2分布式感溫光纖應(yīng)用的優(yōu)點

大功率發(fā)射機(jī)的核心部件通常都是在高壓、高頻、高速以及高電流環(huán)境下工作的，大功率發(fā)射機(jī)的溫度與其工作的性能有著非常重要的關(guān)系[2]。溫度的變化直接影響著大功率發(fā)射機(jī)的元器件性能，若溫度過高，則很容易導(dǎo)致大功率發(fā)射機(jī)元器件損壞。因此，電臺在使用大功率發(fā)射機(jī)的過程中，需要積極對其溫度進(jìn)行檢測，保證大功率發(fā)射機(jī)元器件的安全，不超過其溫度極限值，提高大功率元器件的使用壽命。而采用分布式光纖感溫系統(tǒng)可以在各種條件下進(jìn)行工作。而且分布式光纖感溫系統(tǒng)的絕緣性能也特別好，沒有靜電火花，可以防雷防爆，特別適合在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境中工作。而且，分布式光纖感溫系統(tǒng)可以對大功率發(fā)射機(jī)進(jìn)行分布測量，實時掌握大功率發(fā)射機(jī)的溫度變化情況，持續(xù)掌握探測光纖的傳感信息，實現(xiàn)在線監(jiān)測的目的。

2　分布式感溫光纖在大功率發(fā)射機(jī)上的具體應(yīng)用措施

2.1大功率發(fā)射機(jī)存在的故障問題

TSW2500型500 kW短波發(fā)射機(jī)是當(dāng)前社會上最為先進(jìn)的一種大功率短波發(fā)射機(jī)，其主要生產(chǎn)于瑞士THALES公司[3]。這種大功率發(fā)射機(jī)主要應(yīng)用了穩(wěn)定以及設(shè)計合理的兩級電子管射頻功率放大器，射頻的末級槽路主要采用3節(jié)Ⅱ網(wǎng)絡(luò)，即三π調(diào)諧線和六個陶瓷真空電容，如圖1所示。這就能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗的變換，使得濾除高頻諧波分量和阻抗能夠有效進(jìn)行匹配。而選用陶瓷真空電容器，雖然這種真空電容器的價格比較高，而且對維護(hù)使用的技術(shù)要求也特別高，但是，在實際應(yīng)用過程中，陶瓷真空電容器能夠很好地承受瞬時的過電流，而且雖然其價格昂貴，但是陶瓷真空電容器的品質(zhì)因素較高，性能穩(wěn)定可靠，受環(huán)境因素的影響較小，是一種特別好的寬調(diào)諧元件，目前已在大功率短波發(fā)射機(jī)的調(diào)諧、濾波以及匹配上廣泛應(yīng)用。

圖1　射頻管末級槽路示意圖

然而大功率發(fā)射機(jī)很容易因溫度過高而產(chǎn)生故障[4]。例如，在大功率發(fā)射機(jī)的陶瓷電容器故障中，通常都會出現(xiàn)真空電容器件漏氣以及擊穿等故障。通過真空電容器的故障問題可以詳細(xì)地了解保護(hù)真空電容的關(guān)鍵措施。若在真空電容器件溫度逐漸上升的過程中，能夠及時發(fā)現(xiàn)，并采取相應(yīng)的處理措施，可以有效保證真空電容器。但是，如何對運行狀態(tài)下的大功率發(fā)射機(jī)溫度的變化趨勢進(jìn)行監(jiān)測，這是需要深入思考和解決的重要問題。

2.2分布式感溫光纖在大功率發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用

在大功率發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)下的溫度變化監(jiān)測，可以采用分布式感溫光纖進(jìn)行監(jiān)測[5]。分布式感溫光纖不僅可以實現(xiàn)多點、在線的分布監(jiān)測，還能對大功率發(fā)射機(jī)核心部件的溫度進(jìn)行實時的監(jiān)測。分布式感溫光纖的安裝也特別簡單，只需要把感溫光纖鋪設(shè)在需要監(jiān)測的變壓器、真空電容磁環(huán)上，然后再通過分布式光纖測溫系統(tǒng)對發(fā)射機(jī)內(nèi)部的核心元器件的溫度進(jìn)行監(jiān)測和記錄，而相關(guān)的工作人員則可以根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對大功率發(fā)射機(jī)的實時工作情況進(jìn)行詳細(xì)地分析和預(yù)測，保證大功率發(fā)射機(jī)的安全與穩(wěn)定。若顯示大功率發(fā)射機(jī)元器件存在溫度過高或者溫度不斷升高的情況，可以對溫度異常的地方進(jìn)行處理。發(fā)射機(jī)的分布式感溫系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。若在電臺的實際工作中，需要對機(jī)房的多部發(fā)射機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，那么就可以使用本地人工機(jī)控系統(tǒng)的多通道分別對相應(yīng)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行溫度的監(jiān)控。當(dāng)分布式光纖感溫系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)量特別多的時候，可以根據(jù)具體的情況選用多個本地系統(tǒng)對其進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

2.3對射頻機(jī)箱真空電容的溫度進(jìn)行在線監(jiān)控

分布式光纖感溫系統(tǒng)通過多點、在線的分布式測量，可以及時發(fā)現(xiàn)射頻機(jī)箱真空電容器件的漏氣、擊穿等現(xiàn)象，進(jìn)而相關(guān)的技術(shù)人員可以在對發(fā)射機(jī)狀態(tài)調(diào)諧的過程中，依據(jù)分布式光纖感溫系統(tǒng)不定時了解槽路調(diào)諧電容的溫度，有助于發(fā)射機(jī)的調(diào)機(jī)工作。測溫光纖不僅僅是信號的載體，而且還是溫度傳感器。在光纖鋪裝的時候，由于其能夠精確定位，并且不會受到電磁干擾的影響，那么就可以直接連接到發(fā)射機(jī)射頻機(jī)箱，固定在每一個真空電容磁環(huán)上面。

在對射頻機(jī)箱真空電容溫度監(jiān)測的工作中，主要是將光纖抱箍在真空電容器件陶瓷磁環(huán)上，然后對真空電容的溫度進(jìn)行測量，其測量的溫度在一般情況下都可以準(zhǔn)確反映槽路的傳輸效率，也就是發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)。因為真空電容器件部位是處在一個高頻、高溫以及高壓的工作環(huán)境中，在安裝的時候，不僅要保證感溫光纖有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，還需要確保其具備很好的絕緣性。在感溫光纖具體的安裝過程中，需要注意以下幾點：首先，將需要纏繞在真空電容器瓷環(huán)上的一段光纖繞成一個直徑較大的線圈，纏繞上去之后，再用扎帶把光纖圈的兩端扎在一起，并且要收緊；其次，由于光纖較為細(xì)小，很容易在安裝的時候被設(shè)備所割斷或者外力損傷，這時就需要感溫光纖的安裝人員要在安裝的時候充分注意光纖在射頻機(jī)箱里面的安裝路線，減少分布式光纖感溫系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中對射頻機(jī)箱內(nèi)設(shè)備維修的影響；最后，光纖是石英制品，在鋪設(shè)的時候，其彎曲圓弧直徑必須要超過3 cm，若彎曲弧度過大的話，很容易致使光纖損壞，最終影響光纖感溫測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；除此之外，在處理光纖接頭的時候，還要充分保證光纖熔接面的清潔，這也是影響光纖感溫系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的重要影響因素[5]。

圖2　發(fā)射機(jī)的分布式感溫系統(tǒng)設(shè)計示意圖

2.4發(fā)射機(jī)調(diào)制變壓器和高壓電纜接頭的溫度的監(jiān)測

在發(fā)射機(jī)調(diào)制變壓器溫度檢測的工作中，在光纖安裝的時候，可以合理采用盤式貼敷安裝的方法，把光纖深入到變壓器三相繞組線圈的芯柱上。在安裝的工作中，盡量做到靠近變壓器內(nèi)芯，從而避開散熱風(fēng)機(jī)直接吹到的區(qū)域。同時也要保證光纖安裝的強(qiáng)度，以免發(fā)射機(jī)調(diào)制變壓器因震動而引起感溫光纖脫落問題。而把多余的感溫光纖增加到測量的區(qū)域，這不僅可以有效提高分布式光纖感溫系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還能在溫度曲線中，及時了解和掌握發(fā)射機(jī)調(diào)制變壓器高溫故障的地點。

此外，在大功率發(fā)射機(jī)電力系統(tǒng)中，電纜主要是為發(fā)射機(jī)輸送電能。而高壓開關(guān)柜長期處于帶電運行的狀態(tài)，電纜的接觸不良、接觸點的電阻增點，很容易產(chǎn)生超負(fù)荷電流，進(jìn)而產(chǎn)生高溫發(fā)熱現(xiàn)象，加劇電纜接頭的氧化，進(jìn)一步增大接觸電阻，形成惡性循環(huán)，當(dāng)發(fā)展到一定程度時，這會給大功率發(fā)射機(jī)電能的輸送帶來很大的安全隱患。因此，在大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用過程中，也需要積極加強(qiáng)對電纜接頭的溫度進(jìn)行實時的監(jiān)控。對于高壓電纜接頭的溫度監(jiān)測，可以將感溫光纖繞成環(huán)形纏繞在電纜接頭上，這就能夠準(zhǔn)確地測量出高壓電纜的溫度，并進(jìn)行實時的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)高壓電纜接頭存在的問題，并做好防范措施。

3　結(jié)語

分布式光纖感溫系統(tǒng)是集光纖傳感、光纖傳輸以及計算機(jī)技術(shù)為一體的技術(shù)，其工作運行的安全性和穩(wěn)定性特別高，能夠?qū)\行狀態(tài)下的大功率發(fā)射機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)測，而且監(jiān)測量的數(shù)據(jù)也非常準(zhǔn)確。本文根據(jù)大功率發(fā)射機(jī)的具體情況，制定了相應(yīng)的射頻機(jī)箱真空電容的溫度在線監(jiān)控和發(fā)射機(jī)調(diào)制變壓器溫度監(jiān)測的光纖安裝鋪設(shè)方式，已解決電臺無人值班機(jī)房的設(shè)備監(jiān)測問題。

［1］李榮偉，李永倩.高壓電纜分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)［J］.光纖與光纜及其應(yīng)用技術(shù)，2012，05（01）：38-41.

［2］孿強(qiáng)，王艷松，劉學(xué)民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，38（01）：135-140.

［3］胡曉.分布式感溫光纖在大功率發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用［J］.廣播電視信息，2014，10（10）：89-91.

［4］張穎，張娟，郭玉靜，等.分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀及趨勢［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012，12（08）：164-166.

［5］潘迅.分布式拉曼光纖溫度傳感器在大功率發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用［J］.電子世界，2013，21（16）：94-95.

(編輯：向飛)

Application of Distributed Optical Fiber Temperature Sensing in the Power of the Transmitter

JIN Jian-ming
（715th Research InstituteofChina Shipbuilding Industry Corporation，Hangzhou310023，China）

Application of optical fiber distributed temperature sensing in high-power transmitters can effectivelymonitor the temperature conditions of transmitter core components，thereby ensure the normal and stable operation of high-power transmitters.This paper focuses on backward Raman scattering optical fiber sensing technology foranalysisand discussion.

distributed temperature sensing fiber；high-power transmitter；application

TN929.11

A

1009－9492(2015)06－0124－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.034

2015－02－06

金建明，男，1982年生，浙江樂清人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：發(fā)射技術(shù)。