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      分布式光纖測溫系統原理及傳感過程

    • 分布式光纖測溫系統依據后向散射原理可以分為三種:基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發展比較成熟,且有產品應用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統。它的傳感原理主要依據的是光纖的光時域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應。


      隨著我國經濟的發展,電力系統正在朝著超高壓、大電網、大容量、自動化的方向發展,一旦發生事故便會對國民經濟造成巨大損失。如何對正在運行的電力設備進行在線監測并進行安全預測和溫度變化趨勢分析?如何通過實時數據對設備質量、運行環境、運行方式、設備老化、負荷不平衡等進行科學分析?這些都是電力系統中迫切需要解決的問題。傳統的紅外測溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、熱電阻式測溫系統等只能對電力系統的局部位置進行測溫,無法為安全、經濟運行、高效檢修提供科學依據。而分布式光纖測溫系統能夠實現多點、在線的分布式測量,實現了運行設備的實時在線監測,有效地解決了長期以來現場出現的高溫、燃燒、爆炸、火災等事故應急不備的問題。在電力系統中,這種光纖測溫技術在高壓電力電纜、電氣設備因接觸不良引起的發熱部位、電纜夾層、電纜通道、大型發電機定子、大型變壓器、鍋爐等設施的溫度定點傳感場合具有廣泛的應用前景。


      分布式光纖測溫的基本原理


      1.分布式光纖測溫系統依據后向散射原理可以分為三種:基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發展比較成熟,且有產品應用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統。它的傳感原理主要依據的是光纖的光時域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應。


      (一)光時域反射(OTDR)原理


      當激光脈沖在光纖中傳輸時,由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性,會產生散射。在時域里,入射光經后向散射返回到光纖入射端所需時間為t,激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L,其中v為光在光纖中的傳播速度、C為真空中的光速,n為光纖折射率。在測得時刻t時,就可求得距光源L處的距離。


      (二)光纖的后向拉曼散射溫度效應


      當一個激光脈沖從光纖的一端射入光纖時,這個光脈沖會沿著光纖向前傳播。由于光脈沖與光纖內部分子發生彈性碰撞和非彈性碰撞,故光脈沖在傳播中的每一點都會產生反射,反射中有一小部分的反射光,其方向正好與入射光的方向相反(亦可稱為后向)。這種后向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的相關關系。反射點的溫度(該點光纖所處的環境溫度)越高,反射光的強度也越大。利用這個現象,若能測出后向反射光的強度,就可以計算出反射點的溫度,這就是利用光纖測量溫度的基本原理。


      如用公式來表達:當激光脈沖在光纖中傳播時與光纖分子相互作用,會發生瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射,其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發生能量交換而產生的。如果一部分光能轉換成熱振動,那么將發出一個比光源波長長的光,稱為斯托克斯光;如果一部分熱振動轉換為光能,那么將發出一個比光源波長短的光,稱為反斯托克斯光。根據拉曼散射理論,在自發拉曼散射條件下,兩束反射光的光強與溫度有關,它們的比值R(T)為:


      (1)其中,和分別是斯托克斯光強和反斯托克斯光強,h為普朗克常數,k為玻爾茲曼常數,T為溫度。從(1)式中可以看出,R(T)僅與溫度T有關。因此,我們可以借助反斯托克斯與斯托克斯光強之比來實現溫度的測量。


      分布式光纖測溫系統的傳感過程


      如圖1所示,分布式光纖測溫系統的傳感過程為:計算機控制同步脈沖發生器產生具有一定重復頻率的脈沖,這個脈沖一方面調制脈沖激光器,使之產生一系列大功率光脈沖,另一方面向高速數據采集卡提供同步脈沖,進入數據采集狀態。光脈沖經過波分復用器的一個端口進入到傳感光纖,并在光纖中各點處產生后向散射光,返回到波分復用器中。后向散射光通過波分復用器中的薄膜干涉濾光片分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光,經波分復用器的另外兩個端口輸出,并分別進入到光電檢測器(APD)和放大器中進行光電轉換和放大,將信號放大到數據采集卡能夠采集的范圍上。最后由數據采集卡進行存儲和處理,用于溫度的計算。


      分布式光纖測溫系統在電力系統中的應用


      (一)電力電纜的溫度監測


      在電力系統中,電纜線路起到傳輸高壓電能的作用。電纜常常會由于長期運行而絕緣老化,會由于所處外部環境惡劣及內部高負荷電流而引起局部高溫甚至火災。因此,有必要對電纜進行實時、在線監測,及時地發現故障,將事故消除在萌芽狀態。分布式光纖測溫系統可以通過對電力電纜的運行狀態進行在線監測,實時掌握整條線路的運行狀態,有效監測電纜在不同負載下的發熱狀態,提高對電纜的管理水平;可以對電纜溝內的火情進行監測與報警,識別電力電纜的局部過熱點,提前發現電纜故障并預警,預防事故的發生;可以優化輸配電的資本,根據溫度可以確定電纜的負荷變化,合理地配置負荷,擴大現有電纜的容量,增加電纜的工作壽命;可以發現電纜運行過程中的外力破壞。


      (二)變電站的溫度監測


      分布式光纖測溫系統因其自身獨特的優點,被廣泛應用于變電站的溫度監測中。它可以實現對主設備的溫度監測,通常采用帶有外護套的光纖電纜作為主變壓器室火情監視報警系統,采用熱塑料外護套的光纖電纜進行“零距離”實時監測變壓器的套管、GIS穿墻管及導線連接處的溫度。它可以對開關柜內易發熱部位實時進行監測,將其同開關柜體的通風系統配合使用,可以使柜內的溫度始終保持在允許的范圍內;將光纖纏繞在柜體內電纜接頭上、斷路器小車的一次插頭隔弧罩上或靜觸頭熱縮套上,可以實時監測其溫度,在演變成事故之前,及早發現并采取措施。


      (三)高壓配電裝置的溫度監測


      開關柜內的電纜接頭,10KV、35KV高壓開關柜中動靜觸頭及電氣設備的連接頭由于長期運行,可靠性和接觸性會變差,是易出故障的薄弱環節。其原因主要是這些部位接觸不良、接觸電阻較大,在大電流情況下熱功率很大,從而造成過熱,加劇接觸面氧化,使得接觸電阻進一步增大,形成惡性循環,發展到一定程度,便會造成嚴重故障,破壞供電的安全可靠。分布式光纖測溫系統可以將光纖纏繞在接頭上,實時監測其溫度,在演變成事故前,及早發現并采取處理措施。對于發電機繞組、變壓器等體積比較大的重要部件,可將光纖纏繞在其表面,增加了測量該區域的光纖長度,提高了測量的準確性,并在溫度曲線中能快速地找到高溫故障點。


      結語


      分布式光纖測溫系統集光纖傳感、光纖傳輸、光纖通信、光電控制及計算機等技術于一體,具有本質安全、長期可靠、不受電磁干擾、測溫精度高、實時在線等優點,實現了電力系統運行設備的多點、實時、在線監測。該系統已在國內外電力系統中廣泛應用并得到認可,進一步完善該系統的穩定性和可靠性將使其在電力系統中的應用前景更加廣闊。




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