光纤温度传感器在电力系统的应用

光纤温度传感器在电力系统的应用摘要：首先重点介绍了应用最为广泛的基于布里渊散射的分布式光纤温度传感器的基本原理。其次，概述了当前光纤温度传感器在电力系统中基本的应用模式，并综述了光纤温度传感器对电力系统主要设备进行温度监测的现状与意义。针对光纤温度传感器在电力系统中应用存在的问题与不足，提出了相应的解决方案并对其前景进行了展望。关键词：分布式光纤温度传感器；温度监测；故障诊断；电力系统0引言温度是电力设备的重要运行参数，通过监测电力设备温度信息获取电力设备的运行状况是电力系统故障预报与诊断的研究热点，研究内容包括各种新型的温度传感器的应用、电力设备的故障预报与诊断方法等。其中光纤温度传感器在电力系统中的应用是近年来研究的热点，已广泛应用于发电厂、变电站等。光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压、耐化学腐蚀，安全等特点。本文对电力系统温度监测的基本内容进行了概述，研究了当前光纤温度传感器在电力系统中的应用，并对其发展趋势进行了展望。1光纤温度传感器光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息，具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征。在国外，光纤温度传感器发展很快，形成了多种型号的产品，并已应用到多个领域，取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼，多个大学、研究所与公司展开合作，研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感TO器。2基于布里渊散射的分布式光纤传感技术由于介质分子内部存在一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用，光纤中的光学声子和光学光子发生非弹性碰撞，则产生布里渊散射。在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个频移，该频移通常称为布里渊频移。散

射光布里渊频移量的大小与光纤材料声子的特性有直接关系。当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时，布里渊频移大小将发生变化。因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移量就可以实现分布式温度应变测量。光纤中布里渊散射通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现，布里渊散射可以看作是泵浦波和斯托克斯波、声波之间的参量相互作用。散射产生的布里渊频移量与光线中的声速成正比：f二2nV/九 （2）BA式中，V为光纤中的声速，九为光波长。而光纤中的折射率和声速都与光纤的A温度以及所受的应力等因素有关，这使布里渊频移f随参数的变化而变化，温B度和光纤应变都会造成布里渊频率的线性移动，可表示为：fB二fB二fB(OHdf护（°C）+3)实验发现，布里渊功率也随温度和应变而变化，布里渊功率随温度的上升而线性增加，随应变增加而线性下降。因此布里渊功率也可表示为：4)二P+竺T(°C)+竺8(应)

odT 先4)其中，fB（。），p分别为T二0°C，应变为08时的布里渊频移和功率，ff分别为布里渊频移对应的温度系数和应变系数，竺、兰分别为布里渊光功率对dT冼应的温度系数和应变系数。由于应变相对于温度对布里渊散射光功率的影响要小的多，一般可以忽略，而认为布里渊散射光功率只与温度有关。因此由3、4两式可知，通过检测布里渊散射光的光功率和频率即可得到光纤沿线的温度、应变等的分布信息。2.1基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感器；B0FDA分布式光纤传感技术是1997年德国D.Garus等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术。系统实验框图如1.6所示。BOFDA同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应变的传感，但其被测量空间定位不再是传统的广时域反射技术，而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中探测光与泵浦光频差约等于光纤中的布里渊频移分量f-f二f。探测光首先经过调制频率f可SPBm变的电光调制器进行幅度调制，调制强度为注入光纤的探测光和泵浦光在光纤中相互作用的边界条件。对每个不同的调制信号频率f，都对应着一个探测光功m率和泵浦光功率。调节f，在耦合器的两个输出端同时检测注入光纤的探测光m功率和泵浦光功率，通过和检测器相连的网络分析仪就可以确定传感光纤的基带传输函数。利用快速傅里叶逆变换（IFFT）由基带传输函数即可得到系统的实时冲击响应，便反映了光纤沿线的温度/应变等的分布信息。在BOFDA系统中，系统的空间分辨率由调制信号的最大f和最小f调m.max m.min制频率决定，最大传感距离由调制信号频率变化的步长^f决定。m基于上述原理，D.Garus等人做了基于BOFDA分布式光纤传感系统实验方面的研究，并取得了温度分辨率5OC，应变分辨率0.01%和空间分辨率3m的实验结果。2.2布里渊频移与温度/应变的关系由于布里渊散射是由固体中的光学声子引起的非弹性散射，故布里渊散射的频移量和强度主要由介质的声学特性、弹性力学和热弹性力学特性所决定。由前面的分析，可知布里渊散射是由介质中的声学声子引起的一种非弹性散射过程，其散射光相对于入射光的布里渊频移vB由介质的声学特性和弹性力学特性决定。此外还与入射光的频率v和散射角9有关，即：0二v-v二v-v0s二v-vas0=2vfsin(0/2)0c3-1)式中，v为斯托克斯光频率，v为反斯托克斯光频率，n为介质的折射率,s asc为真空中的光速，v为光纤中的声速。声速v由下式给出：aa3-2):E(1—k3-2)(1+k)(1—2k)p其中E为杨氏模量，p为光纤密度，k为泊松比。对于普通石英介质光纤,其散射光主要发生在背向。因此只考虑背向散射的情形，即e二兀。在光纤中存在着热光效应和弹光效应，温度和应变分别是通过热光效应和弹光效应使光纤折射率发生变化，而温度和应变对声速的影响则是通过对杨氏模量E,光纤密度p，泊松比k的调制来实现的。这样光纤的折射率n,杨氏模量E,光纤密度p，泊松比k均可表示为温度T和应变£的函数，分别记为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,£)这样布里渊频移就变成了温度和应变的函数。显然，布里渊频移与材料的性质有关，对温度和应变比较敏感。先假设温度为室温T二20OC恒定，只考虑应变对布里渊频移的影响。即0E(T,£)[1—k(T,£)] y八0 0 (3-4)[1+k(T,£)][1—2k(T,£)]p(T,£)000由于光纤为脆性材料，故其拉伸应变£很小，因此可以将(3-4)式右边各个与£有关的量在£=0处展开成泰勒级数，并精确到£的一次项，则可得到:n(£)=n(0)+E(£)=n(£)=n(0)+E(£)=E(0)+/dn].d£丿0'dE'.d£丿03-5)p(£)=p(0)+dn设：n'二-d£Id£丿,e'=dEd£d£丿0‘dp、d£丿0(dE)d£丿dk,k'二d£dp，p'二忑将3-5式代入3-4式，做二项式展开，同样精确到£的一次项，可得到如下关系：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An亠，AE=-E-，Ap=--2—和Ak二k'k(°)[2―k(°)]，则上

n(o) 2E(o) 2p(o) [1—k2(0)][1—2k(0)]式可写成：v(£)=v(0){l+(An+AE+Ap+Ak)s} (3.7)BB有上面的推到可知，在得到光纤的各参数的情况下，就可以方便的得到应变与布里渊频移的定量关系。值得说明的是，要详细推导并得出所有这些参数的定量取值，需要对光纤微观结构及原子间的相互作用势必进行研究，这是一个比较复杂的物理问题。对于普通单模光纤，其对应的个参数值如下：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，在温度一定的情况下，布里渊频移变化量与应变成线性关系。而且由推到可知，在应变对布里渊频移的影响中，杨氏模量、泊松比对频移变化的贡献远大于其它参数，因此，光纤中由应变引起的布里渊频移变化主要是通过调制杨氏模量和泊松比实现的。由于光纤中应变的数量级为10-3，所以由式3-9可知Av/v(T,0)沁4X10-3，BB0当入射波长为1.55卩m，单模普通石英光纤在常温及无应变的情况下的布里渊频移约为11GHz，故应变每变化10-3所引起的布里渊频移变化Av约为50MHz。B假设£=0，所以布里渊频移与温度的关系为：v(T,0)=红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)在温度变化较小的情况下，将上式在T=T处展开成泰勒级数，并精确到T0的一次项，并令An=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计算可得An=0.47x10—5,AE=9.24x10-5,Ap=—0.08x10-5,Ak=2.14x10-5。将这些参数代入到前面的等式，可以得到布里渊频移对温度变化的定量关系如下：v(T,0)=v(T,0)(1+1.18x10—4AT) (3-12)BB0当应变为0,温度为20°C，泵浦光波长为1.55卩m时，普通单模光纤的频移约为11GHz。由上式可知布里渊频移与温度成线性关系，温度每变化1°C，布里渊频移变化约为1.2MHz。温度T温度T3光纤温度传感器在电力系统中的应用电力系统中大量设备需要检测温度信息，从而确定电力设备的运行情况，以便运行调度人员及时采取措施，消除异常，避免设备的损坏和事故的发生。早期通过示温蜡片、数字温度传感器、红外温度仪等获取电力设备温度信息。但是示温蜡片与红外测温仪需要人工巡查，不能满足现代数字化电力系统的要求。数字温度传感器大多基于电量传送，受电磁场影响较大，只能测量关键点，有一定的局限性。光纤温度传感器则克服了以上缺点与不足，具有通信迅速、报警设置灵活、适应恶劣环境等优点。3.1电厂温度监控光纤温度传感器代替传统的温度传感器实现电厂某些关键设备的温度监测是当前的研究热点问题。主要有：利用光纤光栅实现汽轮机内湿蒸汽的湿度与温度测量，若采用多点监测可动态确定汽轮机内温度场和湿度场的分布。同步调相机转子温度的测量。光纤温度．压力混合传感器用于核电站第四代反应堆高温、压力监测，可实现系统光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述拿监测。水电站水坝温度监测，目前已有很多现场应用的实例，如分布式光纤测系统存长调水电站、云南大理小湾拱坝等的应用。3．2电缆隧道火灾监控发电厂和变电站内火量的高压电气设备都是通过电缆连接的，这些电缆都敷设在厂房或变电站下的电缆隧道。于电缆隧道环境比较恶劣，且电缆数量较多，容易由于根电缆的绝缘损坏、局部放电而引起大面积的火灾事故，造成严重的经济损失。分布式光纤测温系统应用到电缆隧道火灾舱拧的优点有：1)实时检测光纤沿线温度，测温准确，分辨率较高。按测温距离与测温精度的不同，一般全线温度更新速度最短lOs左右。2)存储历史温度数据用于作进一步分析。3)报警等各项指标设置灵活,可实现多条件报警设置。日前已有不少成功应用的案例，如韶关电厂、济南钢铁等。3．3高压电力电缆负荷安全监测温度作为高压电力电缆的一个重要的运行参数越来越受到人们的重视。通过数字传感器的方式只能实现对电缆接头等重要部分的温度监测。因此，近年来人们对一螋重要的高压动力电缆应用分布式光纤温度监测系统和光纤光栅测温系统实现电缆温度监控。分布式光纤测温根据光纤安置往电缆上位置分为内置式与表贴式两种。内置式所测温度基本等于电缆芯温度，但其需要特殊生产，且敷设复杂。目前研究比较多的是表贴式光纤测温系统在电力电缆上应用。光纤测温系统测得电缆表皮温度后，结合实时电流计算出电缆线芯温度，可进一步推算出动态载流量并模拟各种运行状态。电缆温度监测可以在电缆全长度范同内发现过热点和异常行为点，包括快速升温点和慢性升温点等，能发现限制电缆载流量的瓶颈点的温度与位置信息，预防电缆故障的同时为电力调度提供科学依据。4展望随着电力系统的发展，对电力设备的温度监测将会越来越受到重视。光纤测温系统成本的降低以及测温精度等指标的提高，必将促使其在电力系统中的应用更加广泛与深入。分