分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在高壓電力電纜溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

張正文,　方文滔,　陳媛媛,　王亮亮,　王　超,　龔長(zhǎng)華

(安徽理工大學(xué), 安徽 淮南　232001)

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分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在高壓電力電纜溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

張正文,方文滔,陳媛媛,王亮亮,王超,龔長(zhǎng)華

(安徽理工大學(xué), 安徽 淮南232001)

摘要：介紹了分布式光纖測(cè)溫技術(shù)原理,設(shè)計(jì)了基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的高壓電力電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,相比熱電偶式的測(cè)溫方法,分布式光纖測(cè)溫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè),試驗(yàn)結(jié)果精度更高,為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了有力的保障。

關(guān)鍵詞：分布式光纖測(cè)溫技術(shù); 電力系統(tǒng); 電纜溫度; 在線監(jiān)測(cè)

0引言

高壓電力電纜在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,確保電力電纜安全穩(wěn)定的運(yùn)行對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)型具有很重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái),高壓電力電纜的溫度監(jiān)測(cè)主要采用主從式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),即采用PC機(jī)、單片機(jī)以及溫度傳感器組成的測(cè)溫系統(tǒng),雖然其投資小,操作簡(jiǎn)單,但測(cè)量精度不高,無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)克服了上述缺點(diǎn),具有防爆、防腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),測(cè)量溫度的分辨率達(dá)0.5 ℃,測(cè)試距離可達(dá)30 km,空間分辨率最小達(dá)0.5 m,可以實(shí)現(xiàn)高壓電力電纜的實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)。

1分布式光纖測(cè)溫技術(shù)原理

根據(jù)后向散射原理,分布式光纖測(cè)溫技術(shù)分為基于瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)。拉曼散射光更易受溫度的影響,因此基于拉曼散射的分布式光纖檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用最廣泛。分布式光纖測(cè)溫技術(shù)主要基于光時(shí)域反射原理和光纖的后向拉曼散射效應(yīng)。

在拉曼散射光中,短波長(zhǎng)的反斯托克斯光對(duì)溫度的反應(yīng)較敏感,而長(zhǎng)波長(zhǎng)的斯托克斯光則相對(duì)不敏感,因此利用兩者的比值可以很好地反映光纖周圍的溫度信息。同時(shí)根據(jù)光纖的光時(shí)域反射原理,利用光在光纖中的傳播速度和背向光的回波時(shí)間定位散射點(diǎn)的位置,將光纖沿線的溫度信息實(shí)時(shí)地按距離遠(yuǎn)近依次顯示。

2L=Ct

(1)

式中:L——入射光走過(guò)的路程;

C——光在光纖中的傳播速度;

t——背向光返回到入射端需要的時(shí)間。

拉曼散射光由斯托克斯光和反斯托克斯光組成。為提高測(cè)溫準(zhǔn)確度,得到較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),通過(guò)斯托克斯光和反斯托克斯光強(qiáng)度的比值來(lái)解調(diào)溫度信號(hào)。以往采用的方法是設(shè)置定標(biāo)區(qū),消除信號(hào)傳輸過(guò)程中散射系數(shù)、光濾波因子以及雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode,APD)響應(yīng)度差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。測(cè)量式為

(2)

式中:h——普朗克常數(shù);

c——光速;

μ——波數(shù)偏移量;

k——波爾茲曼常數(shù);

θ——定標(biāo)區(qū)的溫度;

T——絕對(duì)溫度;

R(T)——斯托克斯后向散射信號(hào)的強(qiáng)度;

R(θ)——反斯托克斯后向散射信號(hào)的強(qiáng)度。

式(2)中,存在兩種不同波長(zhǎng)光的衰減差異和探測(cè)器對(duì)兩種波長(zhǎng)光信號(hào)的響應(yīng)差異。因此,采用一段恒溫光纖作為參考光纖,得到

T(L)=

(3)

式中:αd(T)——損耗系數(shù)差。

式(3)不可解,可以用連續(xù)求和的方法,從而得到T(L)。當(dāng)計(jì)算到第N個(gè)點(diǎn)的溫度時(shí),把式(3)的積分用第0~N-1點(diǎn)的拉曼信號(hào)損耗系數(shù)差αd(T)的和來(lái)表示,得到

T(L)=

(4)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)分為光電探測(cè)、光纖溫度場(chǎng)信息采集和信號(hào)處理,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

同步控制單元觸發(fā)光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生大的電流脈沖,驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生大功率的光脈沖,注入激光器尾纖,從激光器尾纖輸出的光脈沖經(jīng)過(guò)光路耦合器后進(jìn)入傳感光纖,激光在光纖中發(fā)生散射,并將攜帶溫度信息的拉曼后向散射光傳送回雙向耦合器。雙向耦合器不但可以將發(fā)射的光直接耦合至傳感光纖,且可將散射回來(lái)的不同于發(fā)射波長(zhǎng)的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由兩個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光濾波器組成,分別過(guò)濾出斯托克斯光和反斯托克斯光,兩路光信號(hào)經(jīng)過(guò)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,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理(提高信噪比),用于溫度的計(jì)算。溫度處理和圖形顯示的軟件預(yù)裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)。

圖1　分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2高壓電力電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高壓電力電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　高壓電力電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

光纖測(cè)溫工程機(jī)主要由光學(xué)測(cè)量單元、解調(diào)單元組成,監(jiān)測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖測(cè)溫工程機(jī)解調(diào),以實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。光纖測(cè)溫工程機(jī)將電纜溫度傳送到后臺(tái)監(jiān)控主機(jī),其功能主要是故障判斷與超溫報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷。系統(tǒng)監(jiān)控軟件的作用是實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高溫度,繪制出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線,形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。當(dāng)溫度超過(guò)限定時(shí)報(bào)警,以提醒維護(hù)人員進(jìn)行故障處理。

3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局

試驗(yàn)將一段長(zhǎng)150 m的220 kV高壓電力電纜鋪設(shè)在變電所的地下,設(shè)計(jì)了電纜區(qū)、戶外場(chǎng)、電纜隧道和模擬工井等區(qū)域,將感溫光纜的一端插入主處理器的光纖插口,另一端順著電纜緊貼外護(hù)套的表面用膠布封好。選擇幾個(gè)重點(diǎn)檢測(cè)部位,分別用A、B、C、D、E、F、G、H表示。試驗(yàn)布局圖如圖3所示。為了比較傳統(tǒng)測(cè)溫方式和分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的差別,在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝熱電偶和分布式光纖傳感器,將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。

圖3　試驗(yàn)布局圖

3.2試驗(yàn)項(xiàng)目與數(shù)據(jù)

3.2.1空間定位精度性能試驗(yàn)

在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用加熱器對(duì)光纜加熱,在溫度-位置曲線圖上記下溫度升高對(duì)應(yīng)的位置,就可以定位8個(gè)點(diǎn),對(duì)比傳感器測(cè)量的位置和實(shí)際的位置,測(cè)量誤差為0.5~1 m。

3.2.2響應(yīng)時(shí)間性能試驗(yàn)

高壓電力電纜防火需要緊急,較快的響應(yīng)時(shí)間可盡快維護(hù)設(shè)備故障,所以8個(gè)點(diǎn)加熱的響應(yīng)時(shí)間很短。

3.2.3溫度測(cè)試精度試驗(yàn)

將H點(diǎn)附近的光纜盤成若干小圈,放入有溫度計(jì)的恒溫裝置中,可以精確地監(jiān)測(cè)溫度的變化。設(shè)定恒溫裝置的溫度,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)并保持一段時(shí)間后,查看溫度-位置曲線圖的相應(yīng)溫度值和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)數(shù)值。H點(diǎn)溫度測(cè)試對(duì)比如表1所示。

表1　H點(diǎn)溫度測(cè)試對(duì)比

由表1可知,傳感器測(cè)試溫度和實(shí)際溫度相差為±1 ℃。

3.2.4長(zhǎng)期運(yùn)行性能試驗(yàn)

設(shè)置好相關(guān)數(shù)據(jù)后,將設(shè)備進(jìn)行24 h不間斷運(yùn)行,測(cè)試的溫度在溫度-位置曲線上顯示。分布式光纖傳感器和熱電偶測(cè)溫曲線如圖4所示。

圖4　分布式光纖傳感器和熱電偶測(cè)溫曲線

由于G點(diǎn)沒(méi)有用土壤掩埋,因此其溫度變化較大。

由圖4可知,熱電偶測(cè)溫曲線與分布式光纖測(cè)溫曲線相差不大,但在長(zhǎng)期溫度測(cè)試過(guò)程中,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)電磁干擾,分布式光纖測(cè)溫技術(shù)可以克服電磁干擾。

4結(jié)語(yǔ)

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量,當(dāng)出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況時(shí),可以提前預(yù)警,節(jié)約了維修所需的時(shí)間,且設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用較低,較好地解決了高壓電力電纜在線監(jiān)測(cè)的難題,為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1]彭超,趙健康,苗福貴.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度[J].高電壓技術(shù),2006,32(8):43-45.

[2]張曉虹,蔣雄偉,王振華,等.分布式光纖溫度傳感器在交聯(lián)聚乙烯絕緣地下電纜故障檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),1999,23(12):36-38.

[3]丁楠,胡傳龍,于緊昌,等.分布式光纖溫度傳感器在煤礦凍結(jié)建井中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(6):154-156.

[4]張文平,馮軍,胡文貴,等.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在高壓電纜中的應(yīng)用[J].光通信技術(shù),2014(7):29-31.

[5]匡紹龍,朱學(xué)斌.分布式光纖溫度傳感器原理及其在變電站溫度檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2004,24(9):79-81.

[6]朱建軍,趙寶瑞,紀(jì)青春,等.分布式光纖傳感器開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)探討[J].光通信技術(shù),2012(2):15-17.

[7]周蕓,楊獎(jiǎng)利.基于分布式光纖溫度傳感器的高壓電力電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].高壓電器,2009,45(4):74-76.

[8]時(shí)斌.光纖傳感器在高壓設(shè)備在線測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2007,33(8):169-173.

[9]周廣麗,鄂書(shū)林,鄧文淵.光纖溫度傳感器的研究和應(yīng)用[J].光通信技術(shù),2007(6):54-57.

[10]李強(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,2010,38(1):135-140.

[11]韓永溫,郝文杰,張林行,等.基于拉曼散射原理的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)研究[J].半導(dǎo)體光電,2013,34(2):342-345.

[12]陳曦,周湶,孫超,等.基于分布式光纖光柵傳感的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(3):8-10.

[13]李崇慶.全分布式喇曼光纖溫度傳感器在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].光通信技術(shù),2013(11):37-38.

[14]仝芳軒,夏泳,杜科,等.基于喇曼散射分布式光纖溫度傳感器研究[J].光通信技術(shù),2014(3):41-43.

[15]李勇.基于分布式光纖溫度傳感器的高壓電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù),2011(1):51-52.

[16]陳耳東,胡業(yè)華.大容量FLASH在單片機(jī)臺(tái)標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2001(5):1-3.

[17]孫國(guó)善,侯思祖,陳超.拉曼光纖測(cè)溫原理及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程,2010,26(3):26-29.

[18]孫國(guó)善,侯思祖,陳超,等.拉曼溫度傳感器及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信,2010,209(31):43-46.

[19]李星蓉.光纖傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信,2008,189(29):49-52.

[20]陳連凱,來(lái)文青,王軍,等.光纖傳感技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2013(3):110-114.

Application of Distributed Optical Fiber Temperature Measurement Technology in High-voltage Power Cable Temperature MonitoringZHANGZhengwen,FANGWentao,CHENYuanyuan,WANGLiangliang,WANGChao,GONGChanghua

(Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract：This paper introduced the principle of distributed optical fiber temperature measurement technology.Based on the distributed optical fiber temperature measurement technology,a high-voltage power cable temperature monitoring system was designed,and an experiment was carried out.Compared to the traditional thermocouple method,the distributed optical fiber temperature measurement technology can achieve the real-time online temperature monitoring,and the accuracy is higher,which can provide the strong guarantee for the safe operation of power grid.

Key words:distributed optical fiber temperature measurement technology; power system; cable temperature;online monitoring

收稿日期：2015-03-25

中圖分類號(hào)：TU 855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8417(2015)06-0064-04