光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應用

光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應用摘要：首先重點介紹了應用最為廣泛的基于布里淵散射的分布式光纖溫度傳感器的基本原理。其次，概述了當前光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中基本的應用模式，并綜述了光纖溫度傳感器對電力系統(tǒng)主要設備進行溫度監(jiān)測的現(xiàn)狀與意義。針對光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中應用存在的問題與不足，提出了相應的解決方案并對其前景進行了展望。關鍵詞：分布式光纖溫度傳感器；溫度監(jiān)測；故障診斷；電力系統(tǒng)0引言溫度是電力設備的重要運行參數(shù)，通過監(jiān)測電力設備溫度信息獲取電力設備的運行狀況是電力系統(tǒng)故障預報與診斷的研究熱點，研究內(nèi)容包括各種新型的溫度傳感器的應用、電力設備的故障預報與診斷方法等。其中光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應用是近年來研究的熱點，已廣泛應用于發(fā)電廠、變電站等。光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學腐蝕，安全等特點。本文對電力系統(tǒng)溫度監(jiān)測的基本內(nèi)容進行了概述，研究了當前光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應用，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。1光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是上世紀70年代發(fā)展起來的一門新型的測溫技術。它基于光信號傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)勢特征。在國外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號的產(chǎn)品，并已應用到多個領域，取得了很好的效果。國內(nèi)在這方面的研究也如火如荼，多個大學、研究所與公司展開合作，研發(fā)了多種光纖測溫系統(tǒng)投入到了現(xiàn)場應用。目前主要的光纖溫度傳感器包括分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等。其中應用最多當屬分布式光纖溫度傳感器與光纖光柵溫度傳感TO器。2基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術由于介質(zhì)分子內(nèi)部存在一定形式的振動，引起介質(zhì)折射率隨時間和空間周期性起伏，從而產(chǎn)生自發(fā)聲波場。光定向入射到光纖介質(zhì)時受到該聲波場的作用，光纖中的光學聲子和光學光子發(fā)生非彈性碰撞，則產(chǎn)生布里淵散射。在布里淵散射中，散射光的頻率相對于泵浦光有一個頻移，該頻移通常稱為布里淵頻移。散

射光布里淵頻移量的大小與光纖材料聲子的特性有直接關系。當與散射光頻率相關的光纖材料特性受溫度和應變的影響時，布里淵頻移大小將發(fā)生變化。因此通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移量就可以實現(xiàn)分布式溫度應變測量。光纖中布里淵散射通過相對于入射泵浦波頻率下移的斯托克斯波的產(chǎn)生來表現(xiàn)，布里淵散射可以看作是泵浦波和斯托克斯波、聲波之間的參量相互作用。散射產(chǎn)生的布里淵頻移量與光線中的聲速成正比：f二2nV/九 （2）BA式中，V為光纖中的聲速，九為光波長。而光纖中的折射率和聲速都與光纖的A溫度以及所受的應力等因素有關，這使布里淵頻移f隨參數(shù)的變化而變化，溫B度和光纖應變都會造成布里淵頻率的線性移動，可表示為：fB二fB二fB(OHdf護（°C）+3)實驗發(fā)現(xiàn)，布里淵功率也隨溫度和應變而變化，布里淵功率隨溫度的上升而線性增加，隨應變增加而線性下降。因此布里淵功率也可表示為：4)二P+竺T(°C)+竺8(應)

odT 先4)其中，fB（。），p分別為T二0°C，應變?yōu)?8時的布里淵頻移和功率，ff分別為布里淵頻移對應的溫度系數(shù)和應變系數(shù)，竺、蘭分別為布里淵光功率對dT冼應的溫度系數(shù)和應變系數(shù)。由于應變相對于溫度對布里淵散射光功率的影響要小的多，一般可以忽略，而認為布里淵散射光功率只與溫度有關。因此由3、4兩式可知，通過檢測布里淵散射光的光功率和頻率即可得到光纖沿線的溫度、應變等的分布信息。2.1基于布里淵光頻域分析（BOFDA）技術的分布式光纖傳感器；B0FDA分布式光纖傳感技術是1997年德國D.Garus等人提出的一種新型的分布式光纖傳感技術。系統(tǒng)實驗框圖如1.6所示。BOFDA同樣是利用布里淵頻移特性來實現(xiàn)溫度/應變的傳感，但其被測量空間定位不再是傳統(tǒng)的廣時域反射技術，而是通過得到光纖的復合基帶傳輸函數(shù)來實現(xiàn)的。因此傳感光纖兩端所注入的光為頻率不同的連續(xù)光，其中探測光與泵浦光頻差約等于光纖中的布里淵頻移分量f-f二f。探測光首先經(jīng)過調(diào)制頻率f可SPBm變的電光調(diào)制器進行幅度調(diào)制，調(diào)制強度為注入光纖的探測光和泵浦光在光纖中相互作用的邊界條件。對每個不同的調(diào)制信號頻率f，都對應著一個探測光功m率和泵浦光功率。調(diào)節(jié)f，在耦合器的兩個輸出端同時檢測注入光纖的探測光m功率和泵浦光功率，通過和檢測器相連的網(wǎng)絡分析儀就可以確定傳感光纖的基帶傳輸函數(shù)。利用快速傅里葉逆變換（IFFT）由基帶傳輸函數(shù)即可得到系統(tǒng)的實時沖擊響應，便反映了光纖沿線的溫度/應變等的分布信息。在BOFDA系統(tǒng)中，系統(tǒng)的空間分辨率由調(diào)制信號的最大f和最小f調(diào)m.max m.min制頻率決定，最大傳感距離由調(diào)制信號頻率變化的步長^f決定。m基于上述原理，D.Garus等人做了基于BOFDA分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗方面的研究，并取得了溫度分辨率5OC，應變分辨率0.01%和空間分辨率3m的實驗結果。2.2布里淵頻移與溫度/應變的關系由于布里淵散射是由固體中的光學聲子引起的非彈性散射，故布里淵散射的頻移量和強度主要由介質(zhì)的聲學特性、彈性力學和熱彈性力學特性所決定。由前面的分析，可知布里淵散射是由介質(zhì)中的聲學聲子引起的一種非彈性散射過程，其散射光相對于入射光的布里淵頻移vB由介質(zhì)的聲學特性和彈性力學特性決定。此外還與入射光的頻率v和散射角9有關，即：0二v-v二v-v0s二v-vas0=2vfsin(0/2)0c3-1)式中，v為斯托克斯光頻率，v為反斯托克斯光頻率，n為介質(zhì)的折射率,s asc為真空中的光速，v為光纖中的聲速。聲速v由下式給出：aa3-2):E(1—k3-2)(1+k)(1—2k)p其中E為楊氏模量，p為光纖密度，k為泊松比。對于普通石英介質(zhì)光纖,其散射光主要發(fā)生在背向。因此只考慮背向散射的情形，即e二兀。在光纖中存在著熱光效應和彈光效應，溫度和應變分別是通過熱光效應和彈光效應使光纖折射率發(fā)生變化，而溫度和應變對聲速的影響則是通過對楊氏模量E,光纖密度p，泊松比k的調(diào)制來實現(xiàn)的。這樣光纖的折射率n,楊氏模量E,光纖密度p，泊松比k均可表示為溫度T和應變￡的函數(shù)，分別記為n(T,s)、E(T,￡)[1—k(T,￡)]3-3)E(T,￡)、k(T,￡)和p(T,￡E(T,￡)[1—k(T,￡)]3-3)v(T,￡)= n(T,￡)b c [1+k(T,￡)][1—2k(T,￡)]p(T,￡)這樣布里淵頻移就變成了溫度和應變的函數(shù)。顯然，布里淵頻移與材料的性質(zhì)有關，對溫度和應變比較敏感。先假設溫度為室溫T二20OC恒定，只考慮應變對布里淵頻移的影響。即0E(T,￡)[1—k(T,￡)] y八0 0 (3-4)[1+k(T,￡)][1—2k(T,￡)]p(T,￡)000由于光纖為脆性材料，故其拉伸應變￡很小，因此可以將(3-4)式右邊各個與￡有關的量在￡=0處展開成泰勒級數(shù)，并精確到￡的一次項，則可得到:n(￡)=n(0)+E(￡)=n(￡)=n(0)+E(￡)=E(0)+/dn].d￡丿0'dE'.d￡丿03-5)p(￡)=p(0)+dn設：n'二-d￡Id￡丿,e'=dEd￡d￡丿0‘dp、d￡丿0(dE)d￡丿dk,k'二d￡dp，p'二忑將3-5式代入3-4式，做二項式展開，同樣精確到￡的一次項，可得到如下關系：3-6)v(￡)=v(0)h十工”旦一旦” k'k(°)[2一k(°)] ￡3-6)B[ n(o) 2E(o) 2p(o) [1—k2(0)][1-2k(0)]令An亠，AE=-E-，Ap=--2—和Ak二k'k(°)[2―k(°)]，則上

n(o) 2E(o) 2p(o) [1—k2(0)][1—2k(0)]式可寫成：v(￡)=v(0){l+(An+AE+Ap+Ak)s} (3.7)BB有上面的推到可知，在得到光纖的各參數(shù)的情況下，就可以方便的得到應變與布里淵頻移的定量關系。值得說明的是，要詳細推導并得出所有這些參數(shù)的定量取值，需要對光纖微觀結構及原子間的相互作用勢必進行研究，這是一個比較復雜的物理問題。對于普通單模光纖，其對應的個參數(shù)值如下：An=—0.22，AE=2.88，Ap=0.33，Ak=1.49。所以：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"v(T,￡)=v(T,0)(1+4.48￡) (3.8)B0 B0\o"CurrentDocument"Av=v(T,￡)—v(T,0)=4.48v(T,0)￡ (3-9)BB0 B0 B0由上式可以看出，在溫度一定的情況下，布里淵頻移變化量與應變成線性關系。而且由推到可知，在應變對布里淵頻移的影響中，楊氏模量、泊松比對頻移變化的貢獻遠大于其它參數(shù)，因此，光纖中由應變引起的布里淵頻移變化主要是通過調(diào)制楊氏模量和泊松比實現(xiàn)的。由于光纖中應變的數(shù)量級為10-3，所以由式3-9可知Av/v(T,0)沁4X10-3，BB0當入射波長為1.55卩m，單模普通石英光纖在常溫及無應變的情況下的布里淵頻移約為11GHz，故應變每變化10-3所引起的布里淵頻移變化Av約為50MHz。B假設￡=0，所以布里淵頻移與溫度的關系為：v(T,0)=紅n(T,0) E(T,0)[1-k(T,0)] (3-10)b c [1+k(T,0)][1-2k(T,0)]p(T,0)在溫度變化較小的情況下，將上式在T=T處展開成泰勒級數(shù)，并精確到T0的一次項，并令An=n， AE=E， Ap=- 和n(T,0) 2E(T,0) 2p(T,0)000

Ak= o o[1—k2(T,0)][l—2k(T,0)]00v(T,0)=v(T,0)[1+(An+AE+Ap+Ak)AT] (3-11)BB0計算可得An=0.47x10—5,AE=9.24x10-5,Ap=—0.08x10-5,Ak=2.14x10-5。將這些參數(shù)代入到前面的等式，可以得到布里淵頻移對溫度變化的定量關系如下：v(T,0)=v(T,0)(1+1.18x10—4AT) (3-12)BB0當應變?yōu)?,溫度為20°C，泵浦光波長為1.55卩m時，普通單模光纖的頻移約為11GHz。由上式可知布里淵頻移與溫度成線性關系，溫度每變化1°C，布里淵頻移變化約為1.2MHz。溫度T溫度T3光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應用電力系統(tǒng)中大量設備需要檢測溫度信息，從而確定電力設備的運行情況，以便運行調(diào)度人員及時采取措施，消除異常，避免設備的損壞和事故的發(fā)生。早期通過示溫蠟片、數(shù)字溫度傳感器、紅外溫度儀等獲取電力設備溫度信息。但是示溫蠟片與紅外測溫儀需要人工巡查，不能滿足現(xiàn)代數(shù)字化電力系統(tǒng)的要求。數(shù)字溫度傳感器大多基于電量傳送，受電磁場影響較大，只能測量關鍵點，有一定的局限性。光纖溫度傳感器則克服了以上缺點與不足，具有通信迅速、報警設置靈活、適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。3.1電廠溫度監(jiān)控光纖溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度傳感器實現(xiàn)電廠某些關鍵設備的溫度監(jiān)測是當前的研究熱點問題。主要有：利用光纖光柵實現(xiàn)汽輪機內(nèi)濕蒸汽的濕度與溫度測量，若采用多點監(jiān)測可動態(tài)確定汽輪機內(nèi)溫度場和濕度場的分布。同步調(diào)相機轉(zhuǎn)子溫度的測量。光纖溫度．壓力混合傳感器用于核電站第四代反應堆高溫、壓力監(jiān)測，可實現(xiàn)系統(tǒng)光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀綜述拿監(jiān)測。水電站水壩溫度監(jiān)測，目前已有很多現(xiàn)場應用的實例，如分布式光纖測系統(tǒng)存長調(diào)水電站、云南大理小灣拱壩等的應用。3．2電纜隧道火災監(jiān)控發(fā)電廠和變電站內(nèi)火量的高壓電氣設備都是通過電纜連接的，這些電纜都敷設在廠房或變電站下的電纜隧道。于電纜隧道環(huán)境比較惡劣，且電纜數(shù)量較多，容易由于根電纜的絕緣損壞、局部放電而引起大面積的火災事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失。分布式光纖測溫系統(tǒng)應用到電纜隧道火災艙擰的優(yōu)點有：1)實時檢測光纖沿線溫度，測溫準確，分辨率較高。按測溫距離與測溫精度的不同，一般全線溫度更新速度最短lOs左右。2)存儲歷史溫度數(shù)據(jù)用于作進一步分析。3)報警等各項指標設置靈活,可實現(xiàn)多條件報警設置。日前已有不少成功應用的案例，如韶關電廠、濟南鋼鐵等。3．3高壓電力電纜負荷安全監(jiān)測溫度作為高壓電力電纜的一個重要的運行參數(shù)越來越受到人們的重視。通過數(shù)字傳感器的方式只能實現(xiàn)對電纜接頭等重要部分的溫度監(jiān)測。因此，近年來人們對一螋重要的高壓動力電纜應用分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)和光纖光柵測溫系統(tǒng)實現(xiàn)電纜溫度監(jiān)控。分布式光纖測溫根據(jù)光纖安置往電纜上位置分為內(nèi)置式與表貼式兩種。內(nèi)置式所測溫度基本等于電纜芯溫度，但其需要特殊生產(chǎn)，且敷設復雜。目前研究比較多的是表貼式光纖測溫系統(tǒng)在電力電纜上應用。光纖測溫系統(tǒng)測得電纜表皮溫度后，結合實時電流計算出電纜線芯溫度，可進一步推算出動態(tài)載流量并模擬各種運行狀態(tài)。電纜溫度監(jiān)測可以在電纜全長度范同內(nèi)發(fā)現(xiàn)過熱點和異常行為點，包括快速升溫點和慢性升溫點等，能發(fā)現(xiàn)限制電纜載流量的瓶頸點的溫度與位置信息，預防電纜故障的同時為電力調(diào)度提供科學依據(jù)。4展望隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對電力設備的溫度監(jiān)測將會越來越受到重視。光纖測溫系統(tǒng)成本的降低以及測溫精度等指標的提高，必將促使其在電力系統(tǒng)中的應用更加廣泛與深入。分