电力电缆光纤光栅测温在线监测系统

电力系统

2019.10 电力系统装备丨11Electric System2019年第10期2019 No.10电力系统装备Electric Power System Equipment

电力电缆本身具有一定的特殊性，且有很多接头、终端附件等需要在完成电缆的搭设后在现场进行安装，因此在电缆系统中绝缘性能较弱的是附件。此外，在进行电缆弯曲搭设过程中，由于弯曲处的绝缘很容易出现变形，绝缘体的密度、强度会发生变化，同时由于电热场分布情况会使绝缘体发生形变，因此在弯曲绝缘本体部位也是其容易出现故障的主要部位之一。在电缆运行中很多故障都是由小缺陷逐渐扩大形成的，在这一过程中会伴随电缆的异常发热，通常在曲线位置温度能够显著升高，因此针对电缆故障易发部位进行温度实时监测成为当前急需解决的问题。1 电力电缆温度监测系统的发展现状分析目前国内的电力电缆温度监测系统从其原理上可分为光信号传感器和电信号传感器两种类型。其中电信号传感器包括传统的热电阻和热电偶传感器以及特殊半导体传感器，而光信号传感器是通过后向拉曼散射原理，分别有分布式光纤测温和光纤光栅原理的测温系统。首先从原理上来看，电信号传感器利用感温附件，能够将收集的温度数据转换为电信号，进行温度的测量，而后向拉曼散射原理构成的分布式光纤测温系统是依据光纤内通过的入射光。由于光纤所处温度不同导致该位置的光线散射率出现差异，会影响光线发射端强度变化，进而可以算出该位置的温度值。由于在光纤中光线传播速度一定，因此可以根据光线从发射端到散射光的时间间隔和顺序，进一步算出光纤体的温度分布情况。从其使用上来看，不同的温度传感器有各自的优势，比如传统电信号传感器具有较强的测量精确度，而且测量速度快，然而由于其布线较为复杂，很容易损坏热敏电阻器件，后期系统的维护量大。而且该传感器无法实现自己校验需要人工进行，以及温度漂移。而光信号传感器后向拉曼散射技术原理下，能够对电缆沿线温度进行分布测量，尤其在对一些长距离的电缆温度检测过程中具有明显优势，但是该传感器对于光源要求高，而且造价会随其距离的增加而增加，进而使成本提高，而这也是这种传感器的劣势。采用光纤光栅原理的测温系统具有较强的抗电磁干扰能力，采用光纤光缆进行线路传输，使用分子技术可在光纤上制作传感器，是与点状信号温度传感器相似的，有不锈钢外壳，而且反应时间短。在同一条回路上可连续使用多个探头，进而可实现不同位置的温度准确测量。目前国内很多企业采用的还是电信号传感温度测量系统，而对于光信号传感器测温系统的应用还不是很广泛。根据研究发现，当前连云港田湾核电站采用的是后向拉曼散射原理基础上设置的光纤测温系统，该系统已经实现了国际领先水平，且已投入使用两年时间。这一系统采用的是光纤分布式测温，由控制器，计算器，测温传输光纤共同构成，且测温光纤能够贯穿于高压电缆中，最终结果误差可实现5m。从效果上来看，系统运行情况比较稳定，而且具有较高的测量精确度，但由于该系统成本高，对于普通的企业来说很难承受这种投入费用。此外，国内部分电站采用光纤温度在线系统对高压电缆进行实时监测，其中很多系统是由国外进口，比如英国，德国，而且整个电缆系统造价较高。成都电子科技大学与国内一些著名的水电站合作研发了火力发电机组光纤温度传感器等一些领先技术，但这些技术均属于点式测量。近年来，重庆大学通过研究光纤分布式测温系统并取得了一定的研究成果。天津大学能够从材料传感器的结构等角度出发，在理论上进一步说明Brilbuin频移量是与光纤温度存在线性关系的。我国计量院研发了分布式光纤温度传感器构成的实时在线温度检测系统，能够用于火灾报警。然而从整体上来看，国内目前对于光纤温度测量系统相关产品技术还不够完善，总体性能较低，未来还需要进一步深入研究和改善。2 光纤光栅测温系统原理首先从原理上来看，是利用光纤材料具备的较强的光敏性，能够在光纤形成空间相位，将光栅用于温度测量器，传感过程是通过外界参量进而对光栅中心波长调制获取温度信息，是一种调制型的传感器，其结构图如图1所示。包层芯层Λ感光折射率n包层折射率n2选择性反射光波（窄带）入射光波（宽带）芯层折射率n1

图1 光纤光栅测温系统原理示意整个光纤光栅是一种分布均匀的光纤布拉格光栅，在纤芯中形成窄带反射镜，当宽带光传输到相应的位置时光栅可以反射某一窄带宽所反射的窄带中心波长，可以设置为是由光栅常数影响的，而这种光栅常数是光栅条纹周期和有效折射率，且满足式（1）：λB=2neffΛ （1）当光纤光栅温度发生显著变化时，由于材料本身具有热光效应和热胀冷缩的性能，可选择性反射波长及变化，如式（2）所示：ΔλBλB=αΔT+βΔT （2）通过实验发现，在一定温度范围内，光纤的热膨胀系数与热光效应是常数，而布拉格波长与温度变化形成线性关系。［摘 要］本文主要针对当前电力电缆在线温度监测系统的发展现状进行分析，阐述了光纤光栅测温系统的原理、关键技术和利用该测温传感器在线温度监测系统实际应用情况，希望能给相关工作人员提供帮助。［关键词］电力电缆；光纤；光栅；测温；在线监测［中图分类号］TM764 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X（2019）10–0011–02Fiber Bragg Grating Temperature Online Monitoring System for Power CableChen Hua［Abstract］In this study, we mainly analyze the current development status of the on-line temperature monitoring system for power cables, elaborate the principle of the system, key technologies and the practical application of the on-line temperature monitoring system using temperature sensors, hoping to provide help to the relevant staff. ［Keywords］power cable; optical fiber; grating; temperature measurement; on-line monitoring电力电缆光纤光栅测温在线监测系统陈 华（广州岭南电缆股份有限公司，广东广州 511480）电力系统

12丨电力系统装备 2019.10Electric System2019年第10期2019 No.10电力系统装备Electric Power System Equipment

通过原理分析，只需检测光纤光栅的波长，便可以获取温度值。利用一根光纤制作多个不同波长的光栅，不同点反射的波长会存在差异，只需要测量波长就可以准确了解空间内部不同位置的温度变化值，而且能够准确确定空间位置，精确度可达到mm级。比如一个30nm量级的光栅能够在1m范围内，将其温度精度控制在0.1℃，而3m范围内的光栅其可将温度控制在0.5℃的精确范围内。较多光栅排列而成，可形成具有较高水平的空间定位精度和高分辨率，温度性能光纤测温系统，这也是该系统在分布式温度测量过程中的原理。从光纤光栅测温系统的特点上来看，目前该系统具有以下技术指标。首先，该系统可以检测-55~125℃之间的范围，其监测点测量时间低于1s，精确度可达到0.5℃，分辨率为0.1，可实现高于45 000m的光纤传输距离。在技术特点上来看，系统具备多个传感器，且功能类型不同，能够在同一条光纤上进行串联使用，构成战略形式，实现多参量的实时分布式检测，而且施工比较简便。相比传统技术来说故障发生概率显著降低，具有较强的可维护性，能够具备全光测量，在监测现场中不需要使用其他的电气设备，也不会受到外界辐射和电磁干扰，可实现绝对量测量，在系统安装使用时不需要进行定标，能够延长设备的使用寿命。以反射光的波长作为表征进行测量，不会受到功率波动，光纤微弯效应以及损耗等影响。3 光纤光栅系统的实际应用将这种光纤光栅测温系统应用于某电力研究所，开发了电力电缆温度实时在线监测系统。目前该系统已运行一年，其能够获取准确准确的温度数据，而且运行情况良好。具体的结构示意图如图2

所示。光纤光栅传感器

单模光纤中心监控站MIS网络110 kV开关室后台计算机光纤光栅信号处理器图2 光纤光栅测温系统结构示意4 结语本文主要阐述了光纤光栅测温系统的原理，特点以及应用情况，进一步说明了该系统具有较强的测量精确度，较广应用范围和安全性，可靠性，是当前电力电缆温度测量的理想系统。参考文献[1] 李晓江，任章鳌.光纤光栅测温技术在10 kV开关柜内部温度在线监测中的应用研究[J].湖南电力，2017（6）35-38.[2] 李军，卞超，吴珺.电力电缆光纤光栅测温在线监测系统[J].电力工程技术，2005（1）：6-8.[3] 李军.光纤光栅测温系统在电力电缆温度在线监测中的应用[J].华东电力，2005（12）：61-63.[4] 付永长，陈涛，张文斌，等.地下电缆光纤光栅测温试验[J].电网技术，2010（5）：212-215.[5] 虢红霞.基于光纤光栅的电力电缆温度在线监测系统研究[D].武汉理工大学，2010.[6] 赵洋洋.基于光栅光纤传感的电力电缆在线监测系统研究[D].武汉理工大学，2011.飞轮储能系统现在被认为是许多应用的支持技术，包括空间卫星低地球轨道，混合动力电动车辆的脉冲功率传输以及许多固定应用。与化学电池不同，目前的测试表明，重复的非常深的放电不会损坏飞轮。美国飞轮系统（USFS）的现有设计已经过测试，并显示其永磁同步电动发电机的功率密度在110，000r/min的设计速度下运行将超过11.9kW/kg，输入或输出效率为93％。飞轮储能技术在未来的预测将通过更廉价和更强大的纤维材料和树脂系统来推进，通过更硬的转子和壳体结构改善系统性能。磁力轴承技术的成本和性能推动了飞轮系统的运行功率更低，负载能力更高，响应速度更快。电子设备的微型小型化具有更高的可靠性和更低的成本，也为飞轮系统的显著进步提供了条件。目前的测试数据表明，［摘 要］飞轮储能系统是一种机电能量转换的物理储能装置，具备能量高、功率大、体积小、寿命长、充放电快、清洁无污染等优点，在航空航天、军事、电力、通信、汽车工业等领域有着广阔的应用前景。本文对影响飞轮储能系统能效的因素进行了分析，包括飞轮材料、电机类型，轴承类型和电源转换器，在MATLAB建立仿真研究，并且与其他存储系统进行了比较，综合得出在储能技术方面飞轮储能占据十分重要的地位。［关键词］飞轮储能系统；闭环控制；主要应用［中图分类号］TM83 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X（2019）10–0012–02Design of Flywheel Energy Storage System and Its Application in Power SystemGuo Xuan，Guo Jin-gen，Zhou Bin，Tang Guo-zhen［Abstract］The flywheel energy storage system is a physical energy storage device for electromechanical energy conversion. It has the advantages of high specific energy, large specific power, small volume, long life, fast charge and discharge, clean and pollution-free, etc., in aerospace, military, The power, communications, automotive industry and other fields have broad application prospects. This paper analyzes the factors affecting the energy efficiency of the flywheel energy storage system, including flywheel material, motor type, bearing type, and power converter. The simulation research is established in Matlab, and compared with other storage systems, the energy storage is comprehensively obtained. In terms of technology, flywheel energy storage plays a very important role. ［Keywords］flywheel energy storage system; closed-loop control; main application飞轮储能系统设计及其在电力系统中的应用研究郭 旋1，郭金根2，周 彬1，汤国晟1（1.南京工程学院，江苏南京 211167；2.国网泰州供电公司，江苏泰州 225300）