光纤光栅传感器在电力电缆测温系统中的应用

收稿日期:2011󰀁03󰀁08基金项目:苏州市科技发展计划项目(SYG201013)光纤光栅传感器在电力电缆测温系统中的应用

贾书丽,姚国珍

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定071003)

摘要:温度监测是预防电力电缆大量使用引发事故的常规方法,通过对国内外4种常用电力电缆测温技术的分

析,认为光纤光栅温度传感技术抗电磁干扰能力强,布置灵活,可实现多目标温度的快速准确测量;阐述了光

纤光栅传感器的测温原理;实际应用表明,利用光纤光栅传感器监测电力电缆温度安全可靠、精度高、监测距

离远。

关键词:光纤光栅;传感器;温度监测;电力电缆

中图分类号:TP212󰀁11󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:B󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1007󰀁290X(2011)06󰀁0061󰀁04

ApplicationofFiberGratingSensorinCableTemperatureMeasurementSystem

JIAShu󰀁li,YAOGuo󰀁zhen

(DepartmentofElectronicsandCommunicationEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding,Hebei

071003,China)

Abstract:Temperaturemeasurementistheconventionaltechniquetopreventcableaccidentscausedbyuseofcablesin

abundance.Byanalysisoffourcommoncabletemperaturemeasurementtechniquesbothhereandabroad,fibergrating

sensingtechniqueisconsideredtobewellcapableinanti󰀁electromagnetism,flexibleinconfigurationandrealizableinmulti󰀁

objectivefastandaccuratetemperaturemeasurement.Thepaperalsoexpoundstemperaturemeasurementprincipleoffiber

gratingsensor.Theapplicationindicatesthatfibergratingsensorincabletemperaturemeasurementsystemischaracterized

byitssafetyandreliability,highaccuracyandremotemonitoringdistance.

Keywords:fibergrating;sensor;temperaturemonitoring;powercable

󰀁󰀁随着城市用电需求的增多,城市电网中电力电

缆所占的份额越来越大,大量的电力电缆敷设在距

离较长且复杂的电缆沟和电缆井内,并长期运行在

高电压、强电流的环境下,电缆爆炸、起火等事故

时有发生[1]。电力电缆是电力配电系统中十分重要

的设备,一旦电缆发生突发性故障,轻则造成用户

长时间停电,重则引起电缆线路外围设备的连锁反

映,甚至导致配电系统部分瘫痪[2]。

据统计,已有的非外力电缆事故绝大部分是由

电缆中间接头附件引起的[3]。事实上,电缆接头故

障的发展速度比较缓慢、时间较长,一般可以通过

对电缆中间接头、终端头及周边环境温度进行实时

监测及数据分析,对出现的异常情况做出及时准确的判断和相应的处理,从而有效预防各种电缆事故

的发生。

光纤传感器测温技术在电力系统中的应用是近

年来研究的热点。本文对光纤光栅传感器和传统传

感器的性能进行比较,通过分析光纤光栅传感器的

电力电缆温度在线监测系统在南京供电公司110

kV云南路变电站的应用,提出采用光纤光栅传感

器替代传统传感器,尤其是在一些极端恶劣的环境

里,利用光纤传感器监测电力电缆温度更为可靠。

1󰀁电力电缆测温技术现状

目前,国内外常用的电力电缆测温技术包括点

式温度传感技术、基于热效应的电力电缆在线监测

技术、线式温度传感技术和光纤光栅温度传感技术

等[4]。󰀁第24卷第6期广东电力Vol󰀁24No󰀁6󰀁󰀁2011年6月GUANGDONGELECTRICPOWERJun󰀁2011󰀁在监测现场,点式温度传感技术根据需要设置

多个点式传感器,测得空间特定点的温度,并通过

相应的线缆将温度信号上传至主机进行处理。该技

术主要采用温度传感器或者热电偶进行温度测量,

将温度传感器或热电偶置于线路中易发生故障的位

置,如电缆终端、中间接头、电缆有局部热源处

等,监测这些部位的温度。这种方法只能获得线路

的局部温度。

基于热效应的电力电缆在线监测技术主要利用

红外线技术对电缆表面温度进行测量[5],利用电缆

表面温度对线芯温度进行反演计算,从而实现对电

缆线芯温度进行非接触式的实时温度监测。这种方

法能够弥补电缆局部测温的不足,但在测温时受物

体发射率、环境和气雾等外界因素的影响较大。

感温电缆式传感技术在测温现场根据需要敷设

1根或多根感温电缆,将其沿电缆平行安放,从而

测得一定区段内的空间温度。当电缆温度超过固定

温度值时,感温电缆被短路,发出报警信号。这种

方法的特点是投资小,不足之处是报警温度固定,故

障信号不全,且不能测出电缆的实际温度值,不能实

时显示测量值,无温度趋势记录和分析。

光纤光栅测温技术是将串联多个光纤光栅传感

器的光纤贯穿于每根高压电缆表面,通过外界参量

对光栅中心波长进行调制,从而获取温度等信息,

实现测温。在同一环境下,电缆的纵向温度是均匀

的,可在直线段布置有限传感器;在线段每个接头

和弯曲部位布置监测传感器,实现多参量的准分布

式测量。该技术传输线路采用的光纤光缆本体不带

电,抗电磁干扰能力强,传输距离远。2󰀁光纤光栅传感器与传统传感器性能比较

现有的电力系统温度监测设备从工作原理上分

主要有传统电类传感器和光信号传感器。传统传感

器包括热电偶传感器、热电阻传感器和各种半导体

传感器等。光信号传感器主要有拉曼散射原理和光

纤光栅原理[6]2种传感器。

虽然传统电类传感器的技术成熟、反应快,但

温度测量精度低,布线复杂,热敏电阻易损坏,系

统维护工作量大,而且整个测温过程都是以电信号

的形式工作,电信号传感器不具备自检功能,需要

经常校验以及温度漂移。在电力工业中,很多设备

处于高压和强磁场之中,对电信号产生很大的干

扰,因此不适合使用传统电类传感器来对其进行温

度测量。光纤光栅传感器的传感信号可以长距离传

输且不受电磁信号干扰,便于对一些电力变压器等

高电压、强磁场的设备进行温度测量,而且在同一

条检测回路上可串联多个光纤光栅传感器,构成传

感阵列,实现多目标温度的快速准确测量。在大多

数场合下,光纤光栅传感器可以替代传统传感器,

尤其是在一些极端恶劣的环境里,利用光纤传感器

监测更为可靠。

光纤光栅传感器与传统传感器的性能比较见表

1。

3󰀁光纤光栅传感器测温系统原理

3󰀁1󰀁光纤光栅传感原理

光纤光栅是一种光纤纤芯内介质折射率呈周期

性调制的无源器件,其反射或透射峰的波长与光栅

表1󰀁光纤光栅传感器与传统传感器的性能比较

比较内容光纤光栅传感器传统传感器

传感分布特性检测点连续,可以全面检测被测对象的各点情况,检测范围大检测点间断,只有探头接触的点才能被检测,检测范围小

信号通道光纤、探头与信号通道一体,不怕干扰、高压,系统简单安全电子传感器有电路通道,对与高压设备的绝缘要求特别高,检修维护很难

信号处理技术用光电技术检测;用光信号传输;用高速数字技术处理用模拟电子技术检测,用弱电信号传输,用数字技术进行处理

被测信号输出不带电,不受电力设备的电磁干扰弱电信号,容易受到电磁干扰

安全可靠性不受电磁干扰,适合强磁场场合,便于对一些高电压、大功率设备进行测量在使用中容易受到环境限制,因其带电,故不适用于特殊危险的场合

其他特点施工方便,使用寿命长,可维护性强安装不方便,布线复杂,

维护困难62广东电力第24卷󰀁的折射率调制周期以及纤芯折射率有关,外界温度

或应变(拉力、压力)的变化也影响光纤光栅的反射

或透射峰的波长变化。光纤布拉格光栅(fiber

bragggrating,FBG)是一种最简单、最普通的光

纤光栅,其折射率调制深度和光栅周期一般都是常

数[7]。当入射光谱经过FBG时,满足布拉格光栅

波长󰀁B的单色光被反射回入射端,其余光透射,

如图1所示。

T󰀁光栅周期。

图1󰀁光纤布拉格光栅及其反射和透射谱

由耦合模原理可知,FBG的反射光中心波长

󰀁B满足布拉格光栅条件

󰀁B=2neffT󰀁(1)

式中:neff为光纤基模在布拉格光栅波长上的有效

折射率。

󰀁B由T和neff决定,而T和neff又受温度和应

变的影响,因此,温度和应变的变化可通过󰀁B间

接地反映出来。

将式(1)微分可得布拉格光栅中心波长的偏移

量

󰀁󰀁B=2T󰀁neff+2neff󰀁T.(2)

因此,通过实时监测布拉格光栅中心波长的位

置,可以得到光纤光栅的温度。

3󰀁2󰀁光纤光栅传感器测温系统

光纤光栅温度测量系统结构如图2所示。传感

光纤串联多个FBG,当宽带光源所发出的光入射

到光纤时,每个FBG反射回1个不同波长的窄带

光波,反射光经过耦合器进入可调谐法布里-珀罗

(Fabry󰀁Perot,F󰀁P)滤波器,可调F󰀁P滤波器在锯

齿波的驱动下,对反射光进行扫描;当可调F󰀁P滤

波器的透射中心波长和某一个反射光中心波长相匹配时,这个传感反射信号通过F󰀁P滤波器进入光电检测器中,光电检测器将接收的光纤光栅传感器反

射光转变成电信号;数据采集卡采集光电检测器中

的电压值并输入到计算机,通过可调F󰀁P滤波器的

驱动电压和透射波长的关系确定FBG反射峰的位

置,从而得到光纤光栅的波长及其温度。此外,参

考光纤光栅可以消除F󰀁P滤波器漂移形成的测量误

差,提高测量精度。

图2󰀁光纤光栅温度测量系统结构

4󰀁光纤光栅传感器的电力电缆测温系统

4󰀁1󰀁硬件和软件

基于光纤光栅传感器的电力电缆测温系统(以

下简称为监测系统)主要负责对信息的采集、传输

和处理,是1个集波长解调、信号处理和信号终端

显示为一体的监测系统,一般由硬件和软件2部分

组成。硬件部分包括监控计算机、光源部分、传感

光栅、解调系统和数据采集等;软件部分包括服务

器和客户端软件,实现对各种设置的控制,对数据

进行分析,设定温度异常点报警类型,保存实时数

据以及完成显示和查询功能。

监测系统的软件模块由数据层、服务层和客户

层组成,数据层主要是保存数据采集部分的电缆温

度数据和电缆地理信息数据;服务层的主要作用是

当用户从客户端软件发出读取数据请求时,服务器

端软件做出相应回答并从数据层提取出相应数据,

然后将数据传送至客户端软件;客户层对传感器测

量的温度进行实时监测,实现超温报警以及随时查

看整个电缆网络的图形功能。

监测系统可以帮助工作人员及时地掌握温度、

电缆分布和设备运行的完整情况,为线路检修提供

强大的信息支持,简化检修准备工作,有效提高工

作效率。

4󰀁2󰀁实时监测的实现

图3为监测系统结构示意图。光纤光栅传感器

是监测系统的感温装置,直接安装在测温点,用来

测量该处的温度。光纤光栅传感器的核心部件是光63󰀁第6期贾书丽,等:光纤光栅传感器在电力电缆测温系统中的应用