分布式光纤测温技术在高压电力电缆温度监测中的应用*

张正文,　方文滔,　陈媛媛,　王亮亮,　王　超,　龚长华

(安徽理工大学, 安徽 淮南　232001)



分布式光纤测温技术在高压电力电缆温度监测中的应用*

张正文,方文滔,陈媛媛,王亮亮,王超,龚长华

(安徽理工大学, 安徽 淮南232001)

摘要：介绍了分布式光纤测温技术原理,设计了基于分布式光纤测温技术的高压电力电缆温度监测系统,并进行现场试验。试验结果表明,相比热电偶式的测温方法,分布式光纤测温技术可实现实时在线温度监测,试验结果精度更高,为电网的安全运行提供了有力的保障。

关键词：分布式光纤测温技术; 电力系统; 电缆温度; 在线监测

0引言

高压电力电缆在电力系统中的应用越来越广泛,确保电力电缆安全稳定的运行对整个电力系统的安全性和经济型具有很重要的意义。长期以来,高压电力电缆的温度监测主要采用主从式温度监测系统,即采用PC机、单片机以及温度传感器组成的测温系统,虽然其投资小,操作简单,但测量精度不高,无法实现实时温度监测。分布式光纤测温系统克服了上述缺点,具有防爆、防腐蚀、抗电磁干扰等优点,测量温度的分辨率达0.5 ℃,测试距离可达30 km,空间分辨率最小达0.5 m,可以实现高压电力电缆的实时在线温度监测。

1分布式光纤测温技术原理

根据后向散射原理,分布式光纤测温技术分为基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射的分布式光纤测温技术。拉曼散射光更易受温度的影响,因此基于拉曼散射的分布式光纤检测技术应用最广泛。分布式光纤测温技术主要基于光时域反射原理和光纤的后向拉曼散射效应。

在拉曼散射光中,短波长的反斯托克斯光对温度的反应较敏感,而长波长的斯托克斯光则相对不敏感,因此利用两者的比值可以很好地反映光纤周围的温度信息。同时根据光纤的光时域反射原理,利用光在光纤中的传播速度和背向光的回波时间定位散射点的位置,将光纤沿线的温度信息实时地按距离远近依次显示。

2L=Ct

(1)

式中:L——入射光走过的路程;

C——光在光纤中的传播速度;

t——背向光返回到入射端需要的时间。

拉曼散射光由斯托克斯光和反斯托克斯光组成。为提高测温准确度,得到较准确的数据,通过斯托克斯光和反斯托克斯光强度的比值来解调温度信号。以往采用的方法是设置定标区,消除信号传输过程中散射系数、光滤波因子以及雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)响应度差异对测量结果的影响。测量式为

(2)

式中:h——普朗克常数;

c——光速;

μ——波数偏移量;

k——波尔兹曼常数;

θ——定标区的温度;

T——绝对温度;

R(T)——斯托克斯后向散射信号的强度;

R(θ)——反斯托克斯后向散射信号的强度。

式(2)中,存在两种不同波长光的衰减差异和探测器对两种波长光信号的响应差异。因此,采用一段恒温光纤作为参考光纤,得到

T(L)=

(3)

式中:αd(T)——损耗系数差。

式(3)不可解,可以用连续求和的方法,从而得到T(L)。当计算到第N个点的温度时,把式(3)的积分用第0~N-1点的拉曼信号损耗系数差αd(T)的和来表示,得到

T(L)=

(4)

分布式光纤测温系统分为光电探测、光纤温度场信息采集和信号处理,其结构图如图1所示。

同步控制单元触发光发射机产生大的电流脉冲,驱动激光器产生大功率的光脉冲,注入激光器尾纤,从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路耦合器后进入传感光纤,激光在光纤中发生散射,并将携带温度信息的拉曼后向散射光传送回双向耦合器。双向耦合器不但可以将发射的光直接耦合至传感光纤,且可将散射回来的不同于发射波长的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由两个不同中心波长的光滤波器组成,分别过滤出斯托克斯光和反斯托克斯光,两路光信号经过接收机时进行光电转换和放大,然后由数据采集单元进行高速数据采样,转换为数字量,经过进一步的信号处理(提高信噪比),用于温度的计算。温度处理和图形显示的软件预装在计算机内。

图1　分布式光纤测温系统结构图

2高压电力电缆温度监测系统的设计

高压电力电缆温度监测系统如图2所示。

图2　高压电力电缆温度监测系统

光纤测温工程机主要由光学测量单元、解调单元组成,监测到的光信号经过光纤测温工程机解调,以实现温度监测。光纤测温工程机将电缆温度传送到后台监控主机,其功能主要是故障判断与超温报警、远程监控诊断。系统监控软件的作用是实时显示各监测点的最高温度,绘制出监测点的温度变化曲线,形成统计报表。当温度超过限定时报警,以提醒维护人员进行故障处理。

3现场试验

3.1试验现场布局

试验将一段长150 m的220 kV高压电力电缆铺设在变电所的地下,设计了电缆区、户外场、电缆隧道和模拟工井等区域,将感温光缆的一端插入主处理器的光纤插口,另一端顺着电缆紧贴外护套的表面用胶布封好。选择几个重点检测部位,分别用A、B、C、D、E、F、G、H表示。试验布局图如图3所示。为了比较传统测温方式和分布式光纤测温技术的差别,在各个监测点安装热电偶和分布式光纤传感器,将测得的数据传输至计算机。

图3　试验布局图

3.2试验项目与数据

3.2.1空间定位精度性能试验

在每个监测点用加热器对光缆加热,在温度-位置曲线图上记下温度升高对应的位置,就可以定位8个点,对比传感器测量的位置和实际的位置,测量误差为0.5~1 m。

3.2.2响应时间性能试验

高压电力电缆防火需要紧急,较快的响应时间可尽快维护设备故障,所以8个点加热的响应时间很短。

3.2.3温度测试精度试验

将H点附近的光缆盘成若干小圈,放入有温度计的恒温装置中,可以精确地监测温度的变化。设定恒温装置的温度,当达到设定的温度时并保持一段时间后,查看温度-位置曲线图的相应温度值和标准温度计数值。H点温度测试对比如表1所示。

表1　H点温度测试对比

由表1可知,传感器测试温度和实际温度相差为±1 ℃。

3.2.4长期运行性能试验

设置好相关数据后,将设备进行24 h不间断运行,测试的温度在温度-位置曲线上显示。分布式光纤传感器和热电偶测温曲线如图4所示。

图4　分布式光纤传感器和热电偶测温曲线

由于G点没有用土壤掩埋,因此其温度变化较大。

由图4可知,热电偶测温曲线与分布式光纤测温曲线相差不大,但在长期温度测试过程中,试验现场会出现电磁干扰,分布式光纤测温技术可以克服电磁干扰。

4结语

分布式光纤测温技术实现了对电缆温度的实时测量,当出现温度过高的情况时,可以提前预警,节约了维修所需的时间,且设备维护的费用较低,较好地解决了高压电力电缆在线监测的难题,为电力系统的安全运行提供了保障。

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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

中图分类号：TU 855

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2015)06-0064-04