一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器

一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器

張燕君;康瑞雪;婁俊波;韋波;李進;陳凌軍;蘇玉玲

【摘 要】提出了一種新型分布式光纖光柵溫度監測系統,可以實現電纜溫度的實時

在線監測.基于熱傳導方程和邊界條件的基礎上,采用有限元法對電纜溫度場進行了

分析,為監測電纜溫度提供了理論依據.光纖光柵本身不帶電,抗輻射和電磁干擾能力

強,耐高壓和腐蝕,非常適合用做高壓電力環境中的溫度傳感器.通過光纖光柵的溫度

特性實驗,在20～100 ℃的溫度范圍內,光纖光柵的中心波長隨溫度變化呈良好的線

性,線性度達到99.8%.通過對標準的熱電偶溫度傳感器與光纖光柵溫度傳感器的對

比實驗,表明該系統測量時間-溫度變化曲線跟隨性好,溫度差均小于1 ℃,符合電力

電纜溫度狀態在線監測的使用要求.

【期刊名稱】《激光與紅外》

【年(卷),期】2010(040)004

【總頁數】5頁(P405-409)

【關鍵詞】電纜;溫度場;光纖光柵;溫度在線檢測系統

【作 者】張燕君;康瑞雪;婁俊波;韋波;李進;陳凌軍;蘇玉玲

【作者單位】燕山大學信息科學與工程學院,河北,秦皇島,066004;海灣安全技術有

限公司,河北,秦皇島,066004;燕山大學信息科學與工程學院,河北,秦皇島,066004;燕

山大學信息科學與工程學院,河北,秦皇島,066004;燕山大學信息科學與工程學院,河

北,秦皇島,066004;燕山大學信息科學與工程學院,河北,秦皇島,066004;燕山大學信

息科學與工程學院,河北,秦皇島,066004;燕山大學信息科學與工程學院,河北,秦皇

島,066004

【正文語種】中 文

【中圖分類】TP212.11

1 引 言

電纜是電力系統的重要組成部分,由于電纜常置于地下,其潛在的老化和缺陷不易被

發現,隨著運行時間的增加,有可能因為電纜過熱或者短路而導致火災。如能在事故

發生早期通過溫度測量進行預警并迅速采取措施,就能有效避免此類事故。

由于在高壓傳輸環境中電壓高、電流大、磁場強,傳統的電類測溫只能對局部位置

進行測溫,無法對整條線路進行溫度監測。在基于光纖溫度傳感的測溫技術中[1-7],

當光纖上的某一區域溫度發生改變時 ,拉曼散射的固有算法會剔除其中的異常溫度,

從而得出在分辨率長度中除異常點之外的平均溫度,可能無法監測出異常溫度,而且

光纖過度彎曲和擠壓都會嚴重影響測量精度。紅外技術[8-9]測溫測量精確度較低,

設備昂貴,維護成本高。

光纖光柵溫度傳感器克服了以上傳感器的缺點,可以實現對目標溫度的快速準確測

量,光纖光柵傳感信號是波長調制,不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗等因素

的影響,同時避免了光纖傳感器中相位測量混亂和固有參考點的需要,而且一根光纖

中可以串接多個光纖光柵進行分布式測量,后期維護成本低,所以適合于在線監測使

用。本文基于此,提出了一種基于光纖光柵的電纜溫度傳感器,檢測不同溫度下對應

的光纖光柵反射波長變化即可實時得出電纜溫度,對標準的熱電偶溫度傳感器和光

纖光柵溫度傳感器進行了對比實驗,結果表明符合電力電纜在線監測的使用要求。

2 電纜的溫度場分析

已有的電纜溫度場計算方法概括為有限元法、邊界元法、有限差分法等。

有限差分法能簡單、精確地確定電纜溫度,但很難對復雜形狀區域進行表示;邊界元

法的優點在于計算量從三維簡化為二維,明顯低于區域型的計算方法,但是當處理具

有多層土壤的實際電纜溝問題或具有多根電纜鋪設的問題時,邊界元法的計算量變

得特別大,難以應用。

有限元法是有限差分和變分法的結合,有極大的適應性、靈活性和較高的計算精度,

是最常用的一種方法。

有限元法采用了網格剖分的技術,是利用部分插值把區域連續求解的微分方程離散

成求解線性代數方程組。而且不受場域形狀的限制,可以具有任意布置的節點和網

格,從而對復雜區域和復雜邊界問題的求解帶來極大的適應性和靈活性,具有較高的

計算精度[10]。因此采用有限元法進行地下對電纜和周圍土壤的溫度分布進行數值

計算。

2.1 溫度場中導熱微分方程

溫度場中用來描述三維非穩態導熱微分方程的一般形式:

式中,ρ,c,λ和 Υ各為微元體的密度、比熱容、導熱系數及單位時間單位體積中內熱

源的生成熱;t為時間。

2.2 左、右和下邊界條件

設電纜位于無限大的土壤中,用柱坐標對場域進行表達,則有:

式中,T1,T2分別是電纜表皮溫度和土壤溫度;r1,r2分別為電纜直徑和土壤外徑;λ為

導熱系數;q為體積發熱量。

2.3 上邊界條件

表層土壤和空氣的換熱屬于自然對流換熱,換熱系數為:

式中,d為土壤深度;Nu=C(GrPr)n,Gr為格拉曉夫數;Pr為普朗特數;查表可得參數

C,n的值,根據對流換熱牛頓公式得出土壤表層溫度梯度為:

式中,T1,T2分別為土壤表層和空氣的溫度;α為對流換熱系數;λ為土壤導熱系數。

求出土壤表層溫度梯度后可求出土壤表層溫度。因為電纜剖面是對稱的,結合熱傳

導方程和邊界條件對電纜截面進行溫度場仿真。

由圖1可見,溫度由纜芯向四周擴散溫度逐漸降低,由圖2得出電纜從纜芯到外護層

溫度大約降低 20℃。因此光纖應被置于盡可能的靠近電纜的纜芯的位置來更精確

地測量電纜的實際溫度?；谝陨戏治?/span>,設計了一種分布式光纖光柵溫度監測系統,

并進行了實驗。

圖1 電纜截面溫度三維連續分布圖

圖2 電纜截面二維溫度分布圖

3 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性,通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫

入纖芯,在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化,從而形成空間的相位光柵,工

作原理如圖3所示。

圖3 光纖光柵結構圖

由于光纖 Bragg光柵的中心波長隨纖芯的有效折射率 neff和柵格周期 Λ的變化

而改變,而外界參量(如溫度、應變等)的改變會對光纖光柵的有效折射率和柵格周期

產生影響,所以溫度的改變會引起光纖光柵 Bragg中心波長 λB的漂移:

式中,ΔneT為光纖光柵有效折射率因溫度的改變而產生的變化;ΔΛT為光纖光柵的

柵格周期因溫度的改變而產生的變化,而:

式中,ξ為熱光系數;αf為熱膨脹系數。將上兩式代入式(5)中得:

設溫度靈敏度系數為 KT,則:

由式(9)可得:

由此可見,光柵波長變化與溫度變化呈現很好的線性關系,只要測量出光柵反射波長

的改變,從而得到其環境溫度的變化,這就是光纖光柵測溫的原理。

光纖光柵本身不帶電,抗輻射和電磁干擾能力強,耐高壓和腐蝕,傳感信號是波長調制,

不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗等因素的影響特別是溫度與反射波長存在

良好的線性關系,非常適合用做高壓電力環境中的溫度傳感器。

4 傳感系統的組成

基于光纖光柵電纜溫度在線監測系統如圖4所示,該系統主要由寬帶光源(BBS)、可

調諧光纖法布里 -珀羅腔濾波器(FFP-TF)和現場可編程門陣列(FPGA)等構成。

圖4 電纜溫度在線監測系統

將光纖光柵固定在電纜表面,該系統可以同時對兩條電纜進行監測,BBS發出的光經

過 FFPTF濾波后形成窄帶光源。FFP-TF工作在掃描狀態,FPGA發出的鋸齒波掃描

電壓加在其中的壓電組件上調節 FFP-TF的腔長,使其在一定范圍內掃描,當窄帶光

掃過某個 Bragg波長時,則有相應傳感光柵反射的光信號輸出經過光探測模塊后轉

化為電流信號,電信號經過放大、濾波后變為電壓信號,然后通過模數轉換器(ADC)

轉換為數字信號送入 FPGA系統進行數字信號處理。FPGA將處理的數據結果送到

液晶屏上顯示當前溫度值并報警。

數模轉換器(DAC)和低通濾波器輔助 FPGA產生鋸齒波掃描電壓,同時 FPGA還對

DAC和 ADC進行邏輯控制,使之保持一定的同步。

當電纜的溫度發生變化時,從光纖光柵反射回來的中心波長也發生改變,該系統實時

解調此中心波長即可顯示出當前電纜的溫度狀態,能在事故之前發出報警。

5 實驗與分析

5.1 光纖光柵溫度特性實驗與分析

按照圖5組裝實驗系統,選用的 FBG1～FBG4的中心波長 1530 nm,1540

nm,1550 nm,1560 nm。

圖5 光纖光柵溫度特性實驗裝置圖

實驗中用到的實驗所用光源為上海瀚宇光纖通信技術有限公司生產 1U機架系列

ASE光源,工作波長范圍為 1525～1565 nm,輸出光功率最大值為15.6 d Bm,光譜

儀為安藤公司生產的AQ6317B型光譜分析儀,可以分析的有效波長范圍為 600～

1750 nm。將光纖光柵放入電熱溫度箱中,從 20℃開始每隔 10℃左右進行加溫,用

光譜儀觀察反射譜,記錄溫度值和 FBG中心波長的值。其中 FBG4溫度和中心波長

的關系如圖6所示。

圖6 光纖光柵FBG4的溫度和中心波長關系曲線

由圖6可得:在 20～100℃的溫度范圍內,FBG的中心波長隨溫度變化呈良好的線性,

線性度達到99.83%,相對誤差達到 12.73%,可能是由于溫控箱密封不好,導致溫度

計讀數誤差所致。另外,光譜儀存在一定的回程誤差,這使得記錄波長同實際波長有

一定的偏差。

5.2 電纜測溫實驗結果與分析

準備了一條長 150 m的 110 KV的電力電纜,模擬好電纜區、戶外場、地埋等區域,

將光纖光柵一端安裝在監測系統上,另一端引出來測量電纜溫度。取其中 P1～P4

四個點作為實驗關鍵點,旁邊安裝標準的熱電阻溫度傳感器,熱電阻溫度傳感器的溫

度值作為參考標準值。隨著電纜溫度持續性的變化,每隔 10 min記錄兩種傳感器

的讀數,如圖7～圖10所示。

由圖可以看出,電纜在加電以后溫度逐漸上升,在 32℃左右的時候保持穩定,并開始

小范圍浮動,由電纜的溫度場分析可知,此時電纜纜芯溫度大約為 52℃。兩組曲線的

溫度測量偏差在 1℃以下,兩者的跟隨性較好,說明用光纖光柵溫度傳感器可以準確

地監測電纜當前的運行狀態,存在偏差的原因可能是熱電偶傳感器存在測量誤差,隨

著光源波動等影響,光纖光柵傳感器也可能會產生測量誤差。

6 結 論

設計了一種基于光纖光柵在線監測電纜溫度的系統。結合熱傳導方程和邊界條件采

用了有限元法分析了電纜的溫度場,用光纖光柵反射波長與溫度具有良好線性關系

的特性,測量不同溫度下對應的光柵反射波長變化即可得到電纜當前的溫度狀況,系

統能實現對多點進行溫度實時測量。通過光纖光柵的溫度特性實驗,在 20～100℃

的溫度范圍內,FBG的中心波長隨溫度變化呈良好的線性,線性度達到 99.8%以上。

對標準的熱電阻溫度傳感器與光纖光柵傳感器進行了電纜測溫實驗對比,結果表明

兩組測量時間 -溫度變化曲線跟隨性好,溫度差均小于 1℃。

目前,我們找到了合作公司制備光電纜,在加工電纜時把光纖光柵預埋進去成為電纜

的一部分,這樣可以直接監測電纜纜芯溫度,更加精確地監測電纜運行狀態。

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