分布式光纤传感器在电力系统中的应用

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分布式光纤测温系统在电力系统中的应用

作者：陆 志 林国栋 简燕红

来源：《现代企业文化·理论版》2009年第05期

摘要：文章主要介绍了基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理、实现方法，及其在电力电缆、变压器、高压配电装置等电力设备中的具体应用。

关键词：光时域反射仪；拉曼散射；分布式光纤温度传感

中图分类号：TN253 文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）08-0168-02

一、引言

随着我国经济的发展，电力系统正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向发展，一旦发生事故便会对国民经济造成巨大损失。如何对正在运行的电力设备进行在线监测并进行安全预测和温度变化趋势分析？如何通过实时数据对设备质量、运行环境、运行方式、设备老化、负荷不平衡等进行科学分析？这些都是电力系统中迫切需要解决的问题。传统的红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、热电阻式测温系统等只能对电力系统的局部位置进行测温，无法为安全、经济运行、高效检修提供科学依据。而分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测量，实现了运行设备的实时在线监测，有效地解决了长期以来现场出现的高温、燃烧、爆炸、火灾等事故应急不备的问题。在电力系统中，这种光纤测温技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良引起的发热部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

二、分布式光纤测温的基本原理

分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温龙源期刊网

系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射（OTDR）原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。

２０１３年９月　江苏电机工程　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　第３２卷第５期　６５　

分布式光纤测温技术在电力电缆运维中的应用　

周琦．胡慧萍　

（无锡供电公司，江苏无锡２１４０６１）　

摘　要：介绍了分布式光纤测温系统在国内外的发展现状，阐述了基于拉曼散射测温系统的基本原理，重点分析了分布　式光纤测温系统在电力电缆运维中的应用．并以实例论证了分布式光纤测温系统是电力电缆在线监测的有效手段。　关键词：分布式光纤测温；电力电缆；在线监测　中图分类号：ＴＭ７６４　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—０６６５（２０１３）０５—００６５—０３　

电力电缆作为电力系统输电载体，其运行状态直　

接关系到电网的安全和稳定。近年来．随着电力电缆　

输送负荷需求的持续增加及建设、改造工期过分紧　张．给电力电缆安全运行埋下了隐患，电缆击穿和火　

灾的事件不断发生　为了确保电缆运行在最佳和最安　全的状态．亟需有效的在线监测手段　其中在线温度　

监测就是一种极为有效的方法．可以发现潜在异常　点．实现故障早期预警，防止和杜绝电力事故发生。传　

统的测温方法采用点式感温元件装在电力电缆的重　要部位进行测温．此方法只能对电缆系统局部位置进　行测温．无法对整条电缆线路实现温度在线监测　而　

分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测　

量．其中光纤既作为传感元件感知温度信息又作为信　息载体传输温度信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高　

温、本征安全、传输距离远、高带宽、高温度分辨率、高　空间分辨率、定位精准等优点，可有效实现电力电缆　

全线温度在线监测．实时监测电缆的温度信息．及时　发现和定位温度异常点．并输出报警信息．提高了电　

缆的运行安全性和可靠性　

１分布式光纤测温技术现状　

目前．分布式光纤测温技术主要采用２种基于拉　

曼散射的温度传感技术．一是基于拉曼光时域反射技　术的分布式光纤传感技术：二是基于拉曼光频域分析　

技术的分布式光纤传感技术。　国外９０年代．英国ＹＯＲＫ公司和日本藤仓公司　

华中科技大学电气与电子工程学院

光纤传感技术

专题报告

课 题： 光纤传感器在电力电缆分布式测温的应用

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光纤传感器在电力电缆分布式测温的应用

1 光纤传感器

光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感器。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能在恶劣环境下工作等一系列优点，因而具有广泛的应用前景。

光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。

光纤传感器可以按传感原理分为两类：一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感合一的特点；另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式。

1.1 光强调制型

这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的徽弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。

1.1.1 改变光纤的微弯状态

利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图1。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如：利用这一原理制成的光纤报警器，其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时，地毯弯曲状加剧，引起光纤光强变化，产生报警信号。

１　５８　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２０１５年第３４卷第３期　

ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１５）０３－－０１５８－０３　

分布式光纤温度传感器在稠油开采中的应用　

于紧昌，胡传龙　（中国电子科技集团公司第八研究所。安徽合肥２３００５１）　

摘要：为了满足稠油油井安全生产和温度监测的需求，设计了一种传感距离为２　ｋｍ的分布式光纤温度　传感器用于监测稠油油井的温度信息。同时对分布式光纤温度传感器进行了特性分析，并给出了高温温　度实验结果。实验结果显示：分布式光纤温度传感器能够在稠油油井温度测量方面进行很好的应用。系　统温度范围为０￣３５０℃，测温光纤长为２　ｋｍ，测量温度精度为±ｌ℃，空间分辨率为１　ｍ，为油井井下温度　测量提供了科学依据。　关键词：分布式光纤温度传感器；温度测量；稠油油井；拉曼散射　中图分类号：Ｓ９５１．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－９７８７（２０１５）０３－－０１５８－０３　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　０ｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

ＳｅｎＳ０ｒ　ｌｎ　ｈｅａｖｙ　Ｏｉｌ　ｍｉｎｉｎｇ　●　ｌ　－＿　●　●　

ＹＵ　Ｊｉｎ—ｃｈａｎｇ，ＨＵ　Ｃｈｕａｎ・ｌｏｎｇ　（Ｔｈｅ　８　ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，　Ｈｅｆｅｉ　２３００５１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｗｅｌｌ　ｓａｆｅｔｙ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｈｅａｖｙ　ｏｉｌ，　ｄｅｓｉｇｎ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　２　ｋｍ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　０ｆ　ｏｉｌ　ｗｅｌｌ　Ｏｆ　ｈｅａｖｙ　ｏｉｌ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｖｅｎ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃａｎ　ｐｌａｙ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｏｉｌ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｉｔｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒａｎｇｅ　ｉｓ　０—３５０℃，ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｌｅｎｇｔｈ　ｉｓ　２　ｋｍ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｓ　±１　ｑＣ．ａｎｄ　Ｓｐａｔｉａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　１　ｍ．ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｏｉｌ　ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｈｅａｖｙ　ｏｉｌ　ｗｅｌｌ；Ｒａｍａｎ　ｓｃａ—　ｔｔｅｒｉｎｇ