1、華中科技大學電氣與電子工程學院光纖傳感技術專題報告課 題： 光纖傳感器在電力電纜分布式測溫的應用指導老師： 班 級： 學 號： 學生姓名： 日 期： 專題報告評價與成績課題：評價：成績：教師簽名： 日 期： 光纖傳感器在電力電纜分布式測溫的應用1 光纖傳感器光纖傳感器是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。它具有抗電磁干擾、電絕緣性好、靈敏度高、重量輕、能在惡劣環(huán)境下工作等一系列優(yōu)點，因而具有廣泛的應用前景。光纖是利用光的全反射原理來引導光波的。當光波在光纖中傳輸時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)，會由于被測參量(溫度、壓力、加速度、電場、磁場等)對光纖的作用而發(fā)生變化，從

2、而引起光波的強度、干涉效應、偏振面發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光探測器和解調(diào)器從而獲得被測參量的參數(shù)。光纖傳感器可以按傳感原理分為兩類：一類稱為功能型傳感器，它的光纖對被測信號兼有敏感和傳輸?shù)淖饔茫此哂袀髋c感合一的特點；另一類稱為非功能型傳感器，它的光纖僅起傳輸?shù)淖饔茫鴮Ρ粶y信號的感覺則是利用其他光學敏感元件來完成的。光纖傳感器還可以按光波在光纖中被調(diào)制的原理分為：光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種形式。1.1 光強調(diào)制型這是一種利用被測量的變化引起光纖中的光強發(fā)生變化的光纖傳感器。能夠引起光纖中光強發(fā)生變化的因素有；改變光纖的徽彎狀態(tài)，改變光纖對光波的

3、吸收特性，改變光纖包層的折射率。下面分別討論利用以上三個因素制成的光強調(diào)制型光纖傳感器的應用原理。1.1.1 改變光纖的微彎狀態(tài)利用微彎效應制成的光纖位移傳感器的原理如圖1。它是利用多模光纖在受到彎曲時，一部分芯模能量會轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理，通過測包層模式能量的變化來測量位移。例如：利用這一原理制成的光纖報警器，其基本原理是光纖呈彎曲狀織于地毯中，當有人站在地毯上時，地毯彎曲狀加劇，引起光纖光強變化，產(chǎn)生報警信號。1.1.2 改變光纖對光波的吸收特性x射線和r射線會使光纖材料的吸收損耗增加，從而使光纖輸出功率減小。利用這一原理可以制成光纖輻射傳感器，用于核電站大范圍的監(jiān)測。與此類似的還有

4、光纖紫外光傳感器。紫外光照射會使光纖激發(fā)熒光，由熒光強弱探測紫外光強。這一類傳感器的關鍵是要制作特殊光纖。1.1.3 改變光纖包層的折射率圖2是一種全內(nèi)反射光纖傳感器原理圖。它的光纖端面的角度被磨成恰好等于臨界角。從纖芯輸入的光將從端面全反射，經(jīng)反射鏡再沿原路返回輸出。當被測參量(折射率、濃度、溫度等)發(fā)生變化時，光纖端面包層的折射率發(fā)生變化，全反射的條件被破壞，因而輸出光強下降。由此原理可制成光纖液體濃度傳感器，光纖折射率計等。1.2 相位調(diào)制型這類傳感器的基本原理是利用被測參量對光學敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、傳感常數(shù)或光強發(fā)生變化，從而使光的相位隨被測參量而變，然后用干涉儀進行解

5、調(diào)，即可得到被測參量的信息。用以上原理制成的光纖干涉儀可測量地震波、水壓(包括水聲)、溫度、加速度、電流、磁場等，并可檢測液體、氣體的成分。這類光纖傳感器的靈敏度很高，傳感對象廣泛(只要能對干涉儀中的光程產(chǎn)生影響均可以傳感)，但是需要特種光纖。這主要是針對光纖干涉儀中為獲得干涉效應要采用單模光纖，最好采用“雙折射率”單模光纖，并且為了使光纖干涉儀對被測物理量進行“增敏”，對非被測物理量進行“去敏”，需對單模光纖進行特殊處理，以滿足測量不同物理量的要求。圖3是Michelson光纖干涉儀，它利用一個光纖定向耦合器構成雙光束干涉儀，兩光纖之一為參考臂，另一為傳感臂。被測參量的變化可直接引起干涉儀中

6、傳感臂光纖的長度L(對應于光纖的彈性變形)和折射率發(fā)生變化，從而引起光纖中光波相位的變化。若把磁致伸縮材料或壓電材料固定在傳感臂上，則可利用它們對光纖引起的壓力變化來測量弱磁場或弱電場。若在傳感臂上鍍上金屬薄膜，則可利用電流的熱效應來測量電流。1.3 偏振態(tài)調(diào)制型被測參量可使光纖中光波的偏振態(tài)發(fā)生變化，檢測該種變化的光纖傳感器稱為偏振態(tài)調(diào)制型。最典型的是測量大電流用的光纖電流傳感器。基本原理是利用光材料的法拉第效應，即光纖處于磁場中，磁場使光纖中光波的偏振面旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角與磁場強度H、磁場中光纖的長度L滿足：=KHL，K為光纖材料系數(shù)。由長直載流導線在周圍空間產(chǎn)生的磁場H=I2R (R是光纖與載

7、流導線間的垂直距離)，則=KLI2R只要測出、L、R即可求出導線中的電流。圖4為其原理圖，這種測電流的方法測量范圍大、靈敏度高、與高壓線無接觸，使輸入輸出端實現(xiàn)了電絕緣。2 光纖傳感器測溫原理目前，應用最多的光纖傳感器有光纖光柵溫度傳感器、基于拉曼散射及布里淵散射的分布式光纖傳感器等。2.1 光纖光柵傳感器測溫原理光纖光柵溫度傳感器利用其布拉格波長的溫度依賴性測溫。當寬光譜光經(jīng)過光纖布拉格(Bragg)光柵時，滿足布拉格條件的單色光B被反射回輸入端，B與光柵的折射率變化周期和纖芯有效折射率n有關。當光纖光柵周圍的溫度發(fā)生變化時，將導致和n變化，從而使B變化B，在光纖光柵不受應變時，B與環(huán)境溫度

8、T的關系為：式中，B為光柵反射回的單色光波長；B為波長的變化量；為光纖熱膨脹系數(shù)，一般為O55×e-6 ；為光纖光柵的熱光系數(shù)，常溫下約為8_3×e-6；T為溫度的變化量，B與T呈線性關系，其比例系數(shù)約為10 pm/°C。因此，根據(jù)光纖光柵波長變化與溫度變化之間的關系即可獲取沿光纖分布的溫度信息。2.2 拉曼傳感器測溫原理托曼分布式光纖溫度傳感器主要依據(jù)光時域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)原理及光纖的后向拉曼散射(Raman Scattering)效應。光纖中的拉曼散射是光在傳播時與光纖材料相互作用產(chǎn)生的一種非

9、彈性散射包含斯托克斯(Stokes)散射和反斯托克斯(AntiStokes)散射2個分量。當光強為Io，頻率為vo的光入射到光纖中時，若在光纖區(qū)域l處溫度為T，則光纖入射端所探測到的后向Stokes散射光強Is、AntiStokes散射光強Ias。分別為：式中，Io為光纖始端的人纖光強；Ks，Ko為與光纖Stokes和AntiStokes散射面積有關的系數(shù)；B為后向散射系數(shù)；vs，vas分別為Stokes和AntiStokes散射光頻率；o，s，as。分別為人射光、Stokes和AntiStokes散射光在光纖中的傳輸損耗；Rs(T)，Ras(T)分別為與光纖分子低能級和高能級上的布居數(shù)有關的

10、系數(shù)，是溫度T的函數(shù)。由式(2)和式(3)可知，Stokes和Anti-Stokes散射光都攜帶了溫度信息，將Stokes散射光作為參考光，利用兩者的比值獲取光纖的溫度信息，后向散射光的傳播時間確定沿光纖各測量點的位置信息。2.3 布里淵傳感器測溫原理布里淵分布式光纖溫度，應變傳感器主要依據(jù)OTDR原理以及光纖的后向布里淵散射(Brillouin Scattering)效應。當某一頻率的光人射到光纖中時光纖中會產(chǎn)生1個聲波場，光波場與聲波場相互作用使散射光相對于人射光產(chǎn)生頻移頻移的大小與材料的聲速成正比。布里淵頻移VB為：式中，n為光纖纖芯折射率；VA為光纖中的聲速，與光纖材料的彈性模量、光纖

11、密度及泊松比等有關; 為前向傳輸?shù)墓獠ㄔ谧杂煽諉柕牟ㄩL。研究發(fā)現(xiàn)，布里淵散射光的頻移和強度與光纖所受溫度和應變有關，由應變和溫度變化引起的布里淵頻移和強度的變化可表示為：式中，VB為布里淵頻移變化量；為布里淵強度相對變化量；CvT、Cv、CPT、Cp分別為布里淵頻移及強度的溫度和應變系數(shù)；T及分別為光纖的溫度和應變變化量。因此，當光纖中的溫度和應變發(fā)生變化時，會導致以上參量發(fā)生變化從而使布里淵頻移和強度發(fā)生變化。3 光纖傳感器在電力電纜測溫中的應用現(xiàn)狀分布式光纖傳感技術具有抗電磁場干擾、工作頻率寬、動態(tài)范圍大等特點，它能夠連續(xù)測量光纖沿線各點的溫度及應力，特別適用于需要大范圍多點測量的應用場合

12、。目前，國外(主要是英國、日本等)已利用激光拉曼光譜效應研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品，而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作，現(xiàn)已研制成功基于分布式光纖溫度傳感原理的一系列產(chǎn)品，可廣泛應用在航空航天、石油測井電力、冶金、煤礦等領域中。國內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術引入電力系統(tǒng)電纜測溫的研究工作只是剛剛開始。聯(lián)系到我國電力系統(tǒng)時常發(fā)生的故障來考慮，如果能在高壓電纜上并行地鋪設傳感光纜，對電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設施的溫度、壓力等參量進行實時測量，就能夠做到及時排險，從而盡可能減少經(jīng)濟損失。3.1 光纖光柵溫度傳感器在測溫中的應用光纖光柵溫度傳感器的功能類似于點狀的電信號溫度傳感器。而且光纖光柵本身不帶

13、電，抗輻射、電磁干擾能力較強、耐高壓和腐蝕，適合應用在電力系統(tǒng)強電磁干擾的惡劣環(huán)境中，其主要應用模式有以下幾種。1)將光纖光柵間接地布置在電力電纜表面獲取電纜的溫度信息。如在電纜上固定貼有光纖光柵的金屬板電纜荷載變化引起的電纜溫度變化經(jīng)金屬板傳人光纖光柵。再利用波分復用技術解調(diào)光柵反射信號，從而獲取沿電纜方向的溫度信息。對于更長距離高壓傳輸電纜的監(jiān)測則需要更多的光纖光柵并結(jié)合時分復用技術。還可通過組網(wǎng)的方式在利用基于光纖光柵的電纜運行參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測電纜溫度時可將光纖光柵測溫系統(tǒng)監(jiān)測到的電纜表皮溫度數(shù)據(jù)發(fā)給主站主站采用等效熱路法計算出纜芯的溫度，從而判斷電纜運行溫度是否超標。如果超標則發(fā)出

14、報警。2)將光纖光柵測溫系統(tǒng)進行組網(wǎng)，監(jiān)測電纜接頭處的溫度。 江蘇省電力試驗研究院經(jīng)過研究, 開發(fā)出基于光纖光柵傳感器的電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng), 并在南京供電公司110 kV 云南路變電站得到了應用，其結(jié)構如圖5 所示。圖5 光纖光柵傳感器電力測溫系統(tǒng)該測溫系統(tǒng)利用光纖光柵傳感器來測量電纜接頭的外表溫度，電纜接頭分為三相，每相接頭的外表處安裝1 個光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器與室內(nèi)光纖電纜熔接后連接到光纖光柵信號處理器，光纖光柵信號處理器通過通信口RS-232 與后臺計算機相連，后臺計算機將測量到的溫度數(shù)據(jù)存儲起來并顯示在屏幕上，從而實現(xiàn)對電纜接頭溫度的監(jiān)視。如果電纜接頭出現(xiàn)溫度異常，系統(tǒng)

15、將自動報警。該系統(tǒng)與MIS 相連時，電纜接頭的溫度數(shù)據(jù)可以通過MIS 傳送至中心監(jiān)測站。該系統(tǒng)和其他溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)相比對，具有安全可靠、精度高、定位準確、應用范圍廣等特點，特別適合于對電力電纜的接頭和易發(fā)生故障部位進行溫度實時監(jiān)測。3.2 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)的應用光纖測溫可以應用在發(fā)電廠、變電站的電纜夾層、電纜溝道、大型電纜隧道的溫度監(jiān)測和監(jiān)控。對電力電纜的監(jiān)護，可以將測溫光纖緊貼在電纜的表面并固定，保證兩者充分接觸，在取得電纜表面數(shù)據(jù)后，將電纜的負荷電流同時描成一組相關曲線，并從電流值推算出芯線導體的溫度系數(shù)，從表面溫度變化與導體溫度變化之差(相同時刻作比較)便可以求出表面溫

16、度與運行負荷電流的相關關系。并以此來支持供電系統(tǒng)的安全運行。另外，在諸如大型電纜隧道等場合，其內(nèi)部環(huán)境溫度的高低對保證電纜的正常運行有很大關系，采用光纖溫度傳感系統(tǒng)后，可以對其進行分布式連續(xù)監(jiān)測，如有必要甚至可以與通風、空調(diào)系統(tǒng)配合使用，以滿足在季節(jié)溫度不同的情況下，始終保證環(huán)境溫度在允許的范闈內(nèi)。3.3 布里淵傳感器在測溫系統(tǒng)中的應用布里淵傳感器可同時獲取沿光纖分布的溫度和應變信息。當電纜發(fā)生故障時，電纜上某點的溫度和應變可能都發(fā)生變化，因此，布里淵傳感器有著明顯優(yōu)勢，目前主要用于海底光電纜的監(jiān)測。由于海底光電纜在實際維修工程中會遇到電纜完整，而光纖單元損傷，只需維修光纖單元的情況，常用的電

17、壓測試法、電容測試法、音頻測試法和線路監(jiān)控系統(tǒng)測試法等都無法采用，利用基于布里淵散射的儀器對海底光電復合纜進行故障定位，取得良好效果。故障點定位測試法如圖6所示。圖6 故障點定位測試法首先通過位于機房的布里淵傳感器測量光纖長度，結(jié)合路由資料初步判定光纖故障點位置。修纜船根據(jù)路由資料，移動到故障點附近，越接近越方便，然后打撈海纜。在海纜某段加熱至7080，使用測試儀器測試，發(fā)現(xiàn)加熱點。最后根據(jù)加熱點到光纖斷點之間的距離即可確定修纜船的位移距離，從而打撈出故障點。如果粗測不準確，可重復上述步驟。電纜光纖分布式測溫技術的核心問題是提高測溫精度，而溫度測量的精度需要考慮入射光強度、系統(tǒng)噪聲、拉曼散射系

18、數(shù)、疊加次數(shù)與溫度分辨率等因素。另外，光纖的安裝方式對溫度測量的精度也有直接影響。光纖的安裝方法通常有表貼式和內(nèi)絞合式2種。以110 kV線路中使用的三芯電纜為例，安裝方式如圖7所示。圖7 110 kV三芯電纜測溫光纖安裝方式比較2種方法可知，安裝在電纜內(nèi)部的內(nèi)絞合光纖能夠?qū)ω撦d的變化做出更快的響應，而綁縛在電纜表面的表貼光纖由于受到電纜外界環(huán)境以及電纜本身絕緣屏蔽層的影響，幾乎無法真實地跟蹤負載的實時變化情況，僅能反應電纜周圍環(huán)境的溫度變化情況。因而，在理想情況下，光纖應被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置，以更精確地測量電纜的實際溫度。對于直埋動力電纜來說，表貼式光纖雖然不能準確地反映電纜負載的變化，但是對電纜埋設處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。目前已經(jīng)報道了測量距離30 km以上、溫度分辨率4、應變分辨率100u、空間分辨率20 m的溫度和應變同時測量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在只測量溫度時，測量距離可達150 km。隨著技術的提高和新型信號處理技術的發(fā)展，這種方案的性能一定會有大幅度的提高。通過對我國電力系統(tǒng)時常發(fā)生的故障的分析，可以發(fā)現(xiàn)分布式光纖溫度和應變傳感器在電力系統(tǒng)的應用是非常迫切的。目前這項技術已經(jīng)吸引了越來越多研究人員的目光。隨著技術的發(fā)展以及設備改進，相信光纖傳感器在不久的將來將會大范圍應用到電力系統(tǒng)中，為電力設備的安全運行提供強有力的保障。參考文