光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用摘要：首先重點(diǎn)介紹了應(yīng)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(dāng)前光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中基本的應(yīng)用模式，并綜述了光纖溫度傳感器對(duì)電力系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀與意義。針對(duì)光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用存在的問題與不足，提出了相應(yīng)的解決方案并對(duì)其前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：分布式光纖溫度傳感器；溫度監(jiān)測(cè)；故障診斷；電力系統(tǒng)0引言溫度是電力設(shè)備的重要運(yùn)行參數(shù)，通過監(jiān)測(cè)電力設(shè)備溫度信息獲取電力設(shè)備的運(yùn)行狀況是電力系統(tǒng)故障預(yù)報(bào)與診斷的研究熱點(diǎn)，研究內(nèi)容包括各種新型的溫度傳感器的應(yīng)用、電力設(shè)備的故障預(yù)報(bào)與診斷方法等。其中光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是近年來研究的熱點(diǎn)，已廣泛應(yīng)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(xué)腐蝕，安全等特點(diǎn)。本文對(duì)電力系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)容進(jìn)行了概述，研究了當(dāng)前光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。1光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新型的測(cè)溫技術(shù)。它基于光信號(hào)傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)勢(shì)特征。在國外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號(hào)的產(chǎn)品，并已應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)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(gè)大學(xué)、研究所與公司展開合作，研發(fā)了多種光纖測(cè)溫系統(tǒng)投入到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(yīng)用最多當(dāng)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(shù)由于介質(zhì)分子內(nèi)部存在一定形式的振動(dòng)，引起介質(zhì)折射率隨時(shí)間和空間周期性起伏，從而產(chǎn)生自發(fā)聲波場(chǎng)。光定向入射到光纖介質(zhì)時(shí)受到該聲波場(chǎng)的作用，光纖中的光學(xué)聲子和光學(xué)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(duì)于泵浦光有一個(gè)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(guān)系。當(dāng)與散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性受溫度和應(yīng)變的影響時(shí)，布里淵頻移大小將發(fā)生變化。因此通過測(cè)定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移量就可以實(shí)現(xiàn)分布式溫度應(yīng)變測(cè)量。光纖中布里淵散射通過相對(duì)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(yīng)力等因素有關(guān)，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(yīng)變都會(huì)造成布里淵頻率的線性移動(dòng)，可表示為：fB二fB二fB(OHdf護(hù)（°C）+3)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，布里淵功率也隨溫度和應(yīng)變而變化，布里淵功率隨溫度的上升而線性增加，隨應(yīng)變?cè)黾佣€性下降。因此布里淵功率也可表示為：4)二P+竺T(°C)+竺8(應(yīng))

odT 先4)其中，fB（。），p分別為T二0°C，應(yīng)變?yōu)?8時(shí)的布里淵頻移和功率，ff分別為布里淵頻移對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)，竺、蘭分別為布里淵光功率對(duì)dT冼應(yīng)的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)。由于應(yīng)變相對(duì)于溫度對(duì)布里淵散射光功率的影響要小的多，一般可以忽略，而認(rèn)為布里淵散射光功率只與溫度有關(guān)。因此由3、4兩式可知，通過檢測(cè)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(yīng)變等的分布信息。2.1基于布里淵光頻域分析（BOFDA）技術(shù)的分布式光纖傳感器；B0FDA分布式光纖傳感技術(shù)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(shù)。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖如1.6所示。BOFDA同樣是利用布里淵頻移特性來實(shí)現(xiàn)溫度/應(yīng)變的傳感，但其被測(cè)量空間定位不再是傳統(tǒng)的廣時(shí)域反射技術(shù)，而是通過得到光纖的復(fù)合基帶傳輸函數(shù)來實(shí)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(cè)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(cè)光首先經(jīng)過調(diào)制頻率f可SPBm變的電光調(diào)制器進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制強(qiáng)度為注入光纖的探測(cè)光和泵浦光在光纖中相互作用的邊界條件。對(duì)每個(gè)不同的調(diào)制信號(hào)頻率f，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)探測(cè)光功m率和泵浦光功率。調(diào)節(jié)f，在耦合器的兩個(gè)輸出端同時(shí)檢測(cè)注入光纖的探測(cè)光m功率和泵浦光功率，通過和檢測(cè)器相連的網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)沖擊響應(yīng)，便反映了光纖沿線的溫度/應(yīng)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(hào)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(hào)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(shí)驗(yàn)方面的研究，并取得了溫度分辨率5OC，應(yīng)變分辨率0.01%和空間分辨率3m的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.2布里淵頻移與溫度/應(yīng)變的關(guān)系由于布里淵散射是由固體中的光學(xué)聲子引起的非彈性散射，故布里淵散射的頻移量和強(qiáng)度主要由介質(zhì)的聲學(xué)特性、彈性力學(xué)和熱彈性力學(xué)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(xué)聲子引起的一種非彈性散射過程，其散射光相對(duì)于入射光的布里淵頻移vB由介質(zhì)的聲學(xué)特性和彈性力學(xué)特性決定。此外還與入射光的頻率v和散射角9有關(guān)，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(duì)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(yīng)和彈光效應(yīng)，溫度和應(yīng)變分別是通過熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)使光纖折射率發(fā)生變化，而溫度和應(yīng)變對(duì)聲速的影響則是通過對(duì)楊氏模量E,光纖密度p，泊松比k的調(diào)制來實(shí)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(yīng)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(yīng)變的函數(shù)。顯然，布里淵頻移與材料的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)溫度和應(yīng)變比較敏感。先假設(shè)溫度為室溫T二20OC恒定，只考慮應(yīng)變對(duì)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(yīng)變￡很小，因此可以將(3-4)式右邊各個(gè)與￡有關(guān)的量在￡=0處展開成泰勒級(jí)數(shù)，并精確到￡的一次項(xiàng)，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(shè)：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(xiàng)式展開，同樣精確到￡的一次項(xiàng)，可得到如下關(guān)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A(yù)n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(yīng)變與布里淵頻移的定量關(guān)系。值得說明的是，要詳細(xì)推導(dǎo)并得出所有這些參數(shù)的定量取值，需要對(duì)光纖微觀結(jié)構(gòu)及原子間的相互作用勢(shì)必進(jìn)行研究，這是一個(gè)比較復(fù)雜的物理問題。對(duì)于普通單模光纖，其對(duì)應(yīng)的個(gè)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(yīng)變成線性關(guān)系。而且由推到可知，在應(yīng)變對(duì)布里淵頻移的影響中，楊氏模量、泊松比對(duì)頻移變化的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其它參數(shù)，因此，光纖中由應(yīng)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(shí)現(xiàn)的。由于光纖中應(yīng)變的數(shù)量級(jí)為10-3，所以由式3-9可知Av/v(T,0)沁4X10-3，BB0當(dāng)入射波長為1.55卩m，單模普通石英光纖在常溫及無應(yīng)變的情況下的布里淵頻移約為11GHz，故應(yīng)變每變化10-3所引起的布里淵頻移變化Av約為50MHz。B假設(shè)￡=0，所以布里淵頻移與溫度的關(guān)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(jí)數(shù)，并精確到T0的一次項(xiàng)，并令A(yù)n=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(jì)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(duì)溫度變化的定量關(guān)系如下：v(T,0)=v(T,0)(1+1.18x10—4AT) (3-12)BB0當(dāng)應(yīng)變?yōu)?,溫度為20°C，泵浦光波長為1.55卩m時(shí)，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(guān)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(yīng)用電力系統(tǒng)中大量設(shè)備需要檢測(cè)溫度信息，從而確定電力設(shè)備的運(yùn)行情況，以便運(yùn)行調(diào)度人員及時(shí)采取措施，消除異常，避免設(shè)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(shè)備溫度信息。但是示溫蠟片與紅外測(cè)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(chǎng)影響較大，只能測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)，有一定的局限性。光纖溫度傳感器則克服了以上缺點(diǎn)與不足，具有通信迅速、報(bào)警設(shè)置靈活、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)電廠某些關(guān)鍵設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題。主要有：利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽的濕度與溫度測(cè)量，若采用多點(diǎn)監(jiān)測(cè)可動(dòng)態(tài)確定汽輪機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的分布。同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的測(cè)量。光纖溫度．壓力混合傳感器用于核電站第四代反應(yīng)堆高溫、壓力監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述拿監(jiān)測(cè)。水電站水壩溫度監(jiān)測(cè)，目前已有很多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)例，如分布式光纖測(cè)系統(tǒng)存長調(diào)水電站、云南大理小灣拱壩等的應(yīng)用。3．2電纜隧道火災(zāi)監(jiān)控發(fā)電廠和變電站內(nèi)火量的高壓電氣設(shè)備都是通過電纜連接的，這些電纜都敷設(shè)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(zāi)事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用到電纜隧道火災(zāi)艙擰的優(yōu)點(diǎn)有：1)實(shí)時(shí)檢測(cè)光纖沿線溫度，測(cè)溫準(zhǔn)確，分辨率較高。按測(cè)溫距離與測(cè)溫精度的不同，一般全線溫度更新速度最短lOs左右。2)存儲(chǔ)歷史溫度數(shù)據(jù)用于作進(jìn)一步分析。3)報(bào)警等各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)置靈活,可實(shí)現(xiàn)多條件報(bào)警設(shè)置。日前已有不少成功應(yīng)用的案例，如韶關(guān)電廠、濟(jì)南鋼鐵等。3．3高壓電力電纜負(fù)荷安全監(jiān)測(cè)溫度作為高壓電力電纜的一個(gè)重要的運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電纜接頭等重要部分的溫度監(jiān)測(cè)。因此，近年來人們對(duì)一螋重要的高壓動(dòng)力電纜應(yīng)用分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電纜溫度監(jiān)控。分布式光纖測(cè)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(cè)溫度基本等于電纜芯溫度，但其需要特殊生產(chǎn)，且敷設(shè)復(fù)雜。目前研究比較多的是表貼式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在電力電纜上應(yīng)用。光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)得電纜表皮溫度后，結(jié)合實(shí)時(shí)電流計(jì)算出電纜線芯溫度，可進(jìn)一步推算出動(dòng)態(tài)載流量并模擬各種運(yùn)行狀態(tài)。電纜溫度監(jiān)測(cè)可以在電纜全長度范同內(nèi)發(fā)現(xiàn)過熱點(diǎn)和異常行為點(diǎn)，包括快速升溫點(diǎn)和慢性升溫點(diǎn)等，能發(fā)現(xiàn)限制電纜載流量的瓶頸點(diǎn)的溫度與位置信息，預(yù)防電纜故障的同時(shí)為電力調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。4展望隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)將會(huì)越來越受到重視。光纖測(cè)溫系統(tǒng)成本的降低以及測(cè)溫精度等指標(biāo)的提高，必將促使其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛與深入。分