電力電纜分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)原理：

分布式光纖溫度系統(tǒng)DTS是基于光纖拉曼散射現(xiàn)象。激光器光源發(fā)出的光脈沖與光纖分子相互作用，發(fā)生散射，散射光有多種類(lèi)型，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等;其中拉曼散射是光纖分子的熱振相關(guān)聯(lián)的，因而對(duì)溫度有敏感，可以用來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。在光纖中，散射信號(hào)是連續(xù)的，通過(guò)使用高速信號(hào)采集技術(shù)測(cè)量入射光和拉曼散射光之間的時(shí)間間隔，可以得到拉曼散射光發(fā)生的位置，由于拉曼散射光對(duì)溫度敏感，所以可以沿著光纖測(cè)量到相應(yīng)的溫度分布.

優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)：

光纖本身為傳感器，同時(shí)傳輸信號(hào)和感知溫度。系統(tǒng)安裝方便，只需將光纜敷設(shè)在隧道頂部。分布式連續(xù)測(cè)量，一條光纖測(cè)量上千點(diǎn)溫度。光纖使用壽命長(zhǎng)，幾十年免維護(hù)。沿光纖全線測(cè)量溫度，誤報(bào)、漏報(bào)率很小。光纖能在惡劣的環(huán)境下工作，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。光信號(hào)測(cè)量，抗電磁干擾，絕緣，防雷，防爆。多路溫度測(cè)量：1-8路。靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，定位精度到1m。測(cè)量速度快，1KM距離的最小測(cè)量時(shí)間僅5秒。

分布式光纖測(cè)溫是一種實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的新興技術(shù)，由于它在測(cè)量分布式溫度上的獨(dú)特之處，該技術(shù)在油田油井溫度場(chǎng)測(cè)量有很大的應(yīng)用前景。使用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度探測(cè)，能實(shí)時(shí)、有效地對(duì)油田油井內(nèi)等區(qū)域的溫度、火災(zāi)進(jìn)行可靠的監(jiān)視及預(yù)警、報(bào)警，盡可能將火災(zāi)消除在萌芽狀態(tài)，避免或降低災(zāi)害情況下造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以直接接入消防監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口直接讀取測(cè)溫主機(jī)的實(shí)時(shí)溫度信息。監(jiān)控區(qū)域火災(zāi)情況下，將由消防監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)各相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行救災(zāi)。

光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種利用光在光纖中傳播的某種特性, 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的新技術(shù), 對(duì)光纖沿線場(chǎng)所的溫度進(jìn)行分布式連續(xù)檢測(cè), 光纖本身就是溫度傳感器。該技術(shù)特別適用于電氣設(shè)備的溫度檢測(cè), 并能和消防報(bào)警系統(tǒng)配合使用, 對(duì)電力系統(tǒng)一次帶電設(shè)備進(jìn)行在線溫度檢測(cè), 它將給變電站的 五遙 監(jiān)控系統(tǒng)充實(shí)新的內(nèi)容, 在發(fā)電廠、變電站中有廣闊的應(yīng)用前景。

1引言

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng) ( 簡(jiǎn)稱(chēng)光纖測(cè)溫系統(tǒng)) 是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光時(shí)域反射( OTDR) 技術(shù)、激光拉曼光譜技術(shù), 經(jīng)波分復(fù)用器、光電檢測(cè)器等對(duì)采集的溫度信息進(jìn)行放大、信號(hào)處理, 并將溫度信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。該技術(shù)最早于 1981 年由英國(guó)南安普頓大學(xué)提出, 目前, 國(guó)外( 主要是英國(guó)、日本等國(guó)) 已利用激光拉曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品, 國(guó)內(nèi)也在積極開(kāi)展這方面的研究工作, 已經(jīng)研制成功分布式光纖溫度傳感器的系列產(chǎn)品, 并在一些工業(yè)領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用, 效果非常理想。分布式光纖傳感技術(shù)具有抗電磁場(chǎng)干擾、信號(hào)傳輸帶寬等特點(diǎn), 它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線所在處的溫度, 測(cè)量距離在幾公里的范圍, 空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí), 能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量, 特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。在電力系統(tǒng)中, 這種光纖傳感技術(shù)在高壓電力電纜、電氣設(shè)備因接觸不良易產(chǎn)生發(fā)熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機(jī)定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的溫度定點(diǎn)傳感場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。

2光纖溫度傳感的檢測(cè)原則

光纖溫度傳感原理的主要依據(jù)是光纖的光時(shí)域反射( OTDR: Optical T ime Domain Reflectome try) 原理以及光纖的背向拉曼散射( Raman Scat tering) 溫度效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí), 這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。因光纖內(nèi)壁類(lèi)似鏡子, 故光脈在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射, 反射之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(chēng)為背向) 。這種背向反射光的強(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度( 該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度) 越高, 反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說(shuō), 背向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象, 若能測(cè)量出背向反射光的強(qiáng)度, 就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度, 這就是利用光纖測(cè)量溫度的基本原理。

如用公式來(lái)表達(dá): 當(dāng)頻率為 V 0 的激光入射到光纖中, 它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波, 這些后向散射光波中除有一與入射光頻率 V 0 相同的很強(qiáng)的中心譜線之外, 在其兩側(cè),還存著( V 0- V) 及( V 0+ V) 的兩條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線, 低頻一側(cè)頻率為( V 0-V) 、波長(zhǎng)為 s 的譜線稱(chēng)為斯托克斯線( stokes) , 高頻一側(cè)頻率為( V 0+ V) 、波長(zhǎng)為 a 的譜線,稱(chēng)為反斯托克斯線( Anti- stokes) 。根據(jù)拉曼散射理論, 在自然拉曼散射條件下, 反斯托克斯光強(qiáng) Ia 于斯托克斯光強(qiáng) Is 的比值 R( r) 為

R ( r ) = I a/ Is= ( s/ a) 4ex p ( - hcV 0/ kT ) ( 1)

式中: h普朗克常數(shù);

c真空中的光速;

k波爾茲曼常數(shù);

T絕對(duì)溫度

從( 1) 式中可以看出, R( r) 僅與溫度 T 有關(guān),而與光強(qiáng)、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無(wú)關(guān)。據(jù)此, 我們可以借助探測(cè)反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光強(qiáng)之比值來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度絕對(duì)測(cè)量, 利用該原理的溫度傳感檢測(cè)原理如圖 1 所示。另外, 利用 OTDR 技術(shù), 還可以確定光纖長(zhǎng)度損耗和光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置。

圖 1 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的原理示意圖

3 光纖溫度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)由激光二極管

( LD) 和驅(qū)動(dòng)器( DRIVER) 、光電檢測(cè)器( APD) 和

放大器組件( AMP) 、光纖傳感回路( OFL) 和信號(hào)處理電路、計(jì)算機(jī)等組成, 如圖 2 所示。

圖 2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

為確保激光二極管功率及峰值波長(zhǎng)的穩(wěn)定,采用半導(dǎo)體在冷低溫恒溫槽冷卻工作。激光脈沖通過(guò)耦合器入射到光纖傳感回路, 并將光纖傳感回路的背向散射回波采集回來(lái), 通過(guò)波長(zhǎng)甄別模塊分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道; 光電檢測(cè)器組件為高靈敏、低噪聲硅雪崩二級(jí)管組件 (APD) , 為了確保 APD 的穩(wěn)定工作, 使其在低溫恒溫槽冷卻工作。信號(hào)處理電路由高速瞬態(tài)平均器和累加器組成, 計(jì)算機(jī)主要用于溫度信號(hào)的解調(diào)和信號(hào)處理、顯示。根據(jù)用戶(hù)的需要, 設(shè)計(jì)軟件和界面。

4系統(tǒng)特點(diǎn)

4. 1 實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)對(duì)象由于其他原因過(guò)熱故障的早期預(yù)測(cè), 防患于未然。

4. 2 發(fā)生過(guò)熱故障時(shí), 系統(tǒng)能提供報(bào)警并準(zhǔn)確確定過(guò)熱位置, 指導(dǎo)檢修工作。

4. 3 具有 CRT 顯示器, 直觀顯示溫度監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體位置及名稱(chēng), 實(shí)時(shí)連續(xù)的溫度監(jiān)測(cè), 保存歷史數(shù)據(jù), 以便作日后積累的經(jīng)驗(yàn)和事故分析的依據(jù)。

4. 4 具有局域網(wǎng)絡(luò)接口, 可與站內(nèi)的管理網(wǎng)絡(luò)相連, 實(shí)現(xiàn)信息的共享, 聯(lián)結(jié)站內(nèi)局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)可同樣具有溫度顯示和報(bào)警功能, 安裝于主控室的主機(jī)和聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)顯示相應(yīng)的報(bào)警提示。

4. 5 分布式光纖溫度傳感器是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù), 它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線所在處的溫度, 測(cè)量距離在幾公里的范圍, 空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí), 能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量, 特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

4. 6 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)作為傳統(tǒng)攬式溫感火災(zāi)探測(cè)器的替代品, 具有精度高、數(shù)據(jù)傳輸及

讀取速度快、自適應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)式溫度測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)的諸多功能和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法解決的問(wèn)題。

5 光纖測(cè)溫系統(tǒng)和傳統(tǒng)式傳感器的性能比較

比較內(nèi)容分布式光纖傳感系統(tǒng)傳統(tǒng)傳感器

傳感分布特性檢測(cè)點(diǎn)連續(xù), 可以全面檢測(cè)被監(jiān)視對(duì)象的各點(diǎn)的情檢測(cè)點(diǎn)間斷, 只有檢測(cè)探頭接觸的點(diǎn), 才能被檢

況。檢測(cè)范圍大( 幾公里至幾十公里) 。測(cè)。檢測(cè)范圍小。

探頭光纖, 抗干擾性能強(qiáng), 絕緣性能好, 無(wú)擊穿、燒毀等電子傳感器, 有電路通道, 極易受電磁干擾, 對(duì)與

問(wèn)題。高壓設(shè)備的絕緣要求特別高。檢修維護(hù)很難。

檢測(cè)信號(hào)輸出光信號(hào), 不受電力設(shè)備的電磁干擾。弱電信號(hào), 極易受到電磁干擾。

信號(hào)通道光纖, 探頭與信號(hào)通道一體, 不怕干擾, 不怕高壓,電路, 對(duì)與高壓設(shè)備的絕緣要求特別高。檢修維

系統(tǒng)簡(jiǎn)單安全。護(hù)很難。

檢測(cè): 光電技術(shù)檢測(cè): 模擬電子

信號(hào)處理技術(shù)傳輸: 光信號(hào)傳輸: 弱電信號(hào)

處理: 高速數(shù)字技術(shù)處理: 數(shù)字技術(shù)

系統(tǒng)可靠性由于系統(tǒng)精練, 可靠性很高?？煽啃缘? 受探頭、信號(hào)傳輸通道、主機(jī)等全部設(shè)

備影響。

施工、安裝方便, 能在細(xì)小的夾縫、易燃、易爆、有毒、有害、惡不方便, 許多地方無(wú)法實(shí)施甚至無(wú)法安裝; 布線

劣環(huán)境下安裝; 布線簡(jiǎn)單; 基本不需要維護(hù)。復(fù)雜; 維護(hù)困難。

不帶電, 抗射頻和電磁干擾、防燃、防爆、抗腐蝕、耐早期技術(shù), 過(guò)去應(yīng)用廣泛。在許多特殊環(huán)境下無(wú)

其它特點(diǎn)高壓和強(qiáng)電磁場(chǎng)、耐輻射, 能在各種有害的環(huán)境中

法使用。

工作。

6光纖溫度傳感系統(tǒng)的性能及技術(shù)指標(biāo)

介紹該系統(tǒng)的主要技術(shù)性能指標(biāo)。如表 2 所示。

表 2分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的性能指標(biāo)

性能指標(biāo)臺(tái)式便 攜 式

測(cè)溫范圍- 30~ 120( 普通外套的光纖)

- 170~ 500( 特殊外套的光纖)

測(cè)溫精度最小 1, 平均 2

測(cè)量距離2km ( 典型)可定制長(zhǎng)達(dá) 10km 距離的系統(tǒng)

空間分辨率2. 5m, 使用光纖繞組為 5cm

系統(tǒng)硬件配置主機(jī)+ 測(cè)溫光纖+ 計(jì)算機(jī)( 選購(gòu))主機(jī)( 內(nèi)置工控機(jī)和液晶顯示屏) + 測(cè)溫光纖

光纖型號(hào): 62. 5/ 125GI 光纖( 通信光纖的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)之一)

光纖的規(guī)格外套規(guī)格: 普通型: 有外徑為 0. 25mm、0. 90mm 和 3mm 的塑料管三種。

特殊型: 外徑為 3mm 的不銹鋼管

系統(tǒng)功能擴(kuò)展可以選用光纖切換模塊同時(shí)檢測(cè)多路測(cè)溫光纖

表 2 可知, 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的測(cè)溫范圍很大, 采用特殊外套的光纖其范圍可達(dá)到-~ 500 , 可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)工業(yè)環(huán)境的溫度檢測(cè)。其測(cè)溫精度可以達(dá)到數(shù)公里, 但是選用的光纖卻不是特殊類(lèi)型的產(chǎn)品, 僅為普通的通訊用光纖, 這樣, 該系統(tǒng)也就具備了較高的性能價(jià)格比。

7 光纖溫度傳感系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

1 , 測(cè)量的距離分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)自投產(chǎn)以來(lái), 主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、油田以至海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域, 并已取得大量可信可靠的應(yīng)用業(yè)績(jī)。近兩年來(lái), 由廣州羊城科技實(shí)業(yè)有限公司研制生產(chǎn)的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的變電站、發(fā)電廠已經(jīng)陸續(xù)使用, 獲得了良好的效果。

7. 1 光纖溫度傳感系統(tǒng)在電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)方面的特點(diǎn)

7. 1. 1 光纖測(cè)溫是一個(gè)連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 可以測(cè)量和記錄任何時(shí)刻的溫度, 并可以設(shè)置多個(gè)報(bào)警點(diǎn)。另外, 光纖測(cè)溫還可以根據(jù)環(huán)境溫度的不同, 對(duì)報(bào)警點(diǎn)溫度進(jìn)行自動(dòng)修正。而目前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中常用的感溫電纜只能設(shè)置一個(gè)報(bào)警點(diǎn), 如要改變報(bào)警溫度, 則只能改換另外一種規(guī)格, 不能作到報(bào)警點(diǎn)溫度的任意設(shè)置。

7. 1. 2 光纖測(cè)溫可以對(duì)電氣配電裝置的母排、動(dòng)力電纜的接頭等部位進(jìn)行 零距離 監(jiān)測(cè)。其構(gòu)成原理決定了它不會(huì)受到電磁干擾的影響, 也不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)任何負(fù)面的影響。 7. 1. 3 通過(guò)采用不同的外護(hù)套材料, 光纖溫度傳感系統(tǒng)可以適應(yīng)各種工作環(huán)境。

7. 2光纖溫度傳感系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

光纖測(cè)溫在電力系統(tǒng)的應(yīng)用范圍, 歸納起來(lái)包括以下幾個(gè)方面。

7. 2. 1 電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)控

可以應(yīng)用在發(fā)電廠、變電站的電纜夾層、電纜溝道、大型電纜隧道( 例如廣州珠江新城 3. 8km 的地下電纜隧道) 的溫度監(jiān)測(cè)和監(jiān)控。對(duì)電力電纜的監(jiān)護(hù), 可以將測(cè)溫光纖貼在電纜的表面, 在取得了電纜表面數(shù)據(jù)后, 將電纜的負(fù)荷電流同時(shí)描成一組相關(guān)曲線, 并從電流值推算出芯線導(dǎo)體的溫度系數(shù), 從表面溫度變化與導(dǎo)體溫度變化之差 ( 相同時(shí)刻作比較) 便可以求出表面溫度與運(yùn)行負(fù)荷電流的相關(guān)關(guān)系, 并以此來(lái)支持供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

另外, 在諸如大型電纜隧道等場(chǎng)合, 其內(nèi)部環(huán)境溫度的高低對(duì)保證電纜的正常運(yùn)行有很大關(guān)系, 采用光纖溫度傳感系統(tǒng)后, 可以對(duì)其進(jìn)行分布式連續(xù)監(jiān)測(cè), 如有必要甚至可以與通風(fēng)、空調(diào)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的電纜接頭、10kV 、35kV 高壓開(kāi)關(guān)柜動(dòng)靜觸頭及電氣設(shè)備的連接頭是易出故障的薄弱環(huán)節(jié), 原因是該部位接觸不良, 接觸電阻較大,在大電流情況下該處熱功率很大, 其結(jié)果是接頭發(fā)熱嚴(yán)重, 加劇接觸面氧化, 使得接觸電阻進(jìn)一步增大, 形成惡性循環(huán), 發(fā)展到一定階段后, 則會(huì)造成嚴(yán)重的故障, 破壞供電的安全可靠。而采用光纖測(cè)溫, 則可以將光纖纏繞在接頭上, 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其溫度, 在演變成事故前, 及早發(fā)現(xiàn)并采取處理措施。

7. 2. 3 發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測(cè)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

光纖測(cè)溫系統(tǒng)因可以實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)溫度, 并自動(dòng)將所檢測(cè)數(shù)據(jù)寄存于電腦, 故可以做到溫度變化的差動(dòng)監(jiān)測(cè)。更可以提前做出過(guò)熱預(yù)報(bào), 亦即火災(zāi)早期報(bào)警, 這更是一般的熱源傳感器或煙霧傳感器等報(bào)警方式難以勝任的, 另外, 本系統(tǒng)還可以與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)使用, 在達(dá)到設(shè)定的報(bào)警條件時(shí), 啟動(dòng)消防系統(tǒng)。

7. 2. 4其它

可以預(yù)計(jì)的場(chǎng)合還包括: 各種大、中型發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)的溫度分布測(cè)量、熱動(dòng)保護(hù)以及故障診斷; 火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管道的溫度和故障點(diǎn)檢測(cè); 地?zé)犭娬竞蛻?hù)內(nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)等等。

8結(jié)束語(yǔ)

光纖溫度傳感作為一種高新技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始推廣應(yīng)用。我們相信隨著電力系統(tǒng)廣大工程技術(shù)人員對(duì)該技術(shù)的熟悉了解, 該技術(shù)必將對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行作出貢獻(xiàn)。