CN101595715B - 用于光纤监测空间分布式组件的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于监测配电网(100)的辅助元件(205a、205b、...、205k)的系统，包括：光纤路径(215)；与要监测的辅助元件相关联的、从光纤路径分支出的相应光学支路，其中，每一个光学支路都包括：至少一个无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)，该至少一个无源光学衰减器可操作地耦合至相应辅助元件，并且具有适于响应于相应辅助元件的运行条件中的变化而改变的衰减，和光反射器(240a、240b、...、240k)；适于将光辐射(I)注入到光纤路径中的光辐射源(230)；以及适于检测被光反射器反射来的背反射光辐射(Ia、Ib、...、Ik)的光接收器(250、310)；该监测系统还适于基于背反射光辐射的特征来识别至少一个辅助元件的位置。

Description

用于光纤监测空间分布式组件的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及用于监测分布在多个位置处的配电系统组件的方法和系统，具体来说，本发明涉及实时并采用光纤来监测“辅助”元件(例如，在配电系统中使用的用于确保系统安全的保护元件)的状态和条件。
背景技术
配电系统包括分布式网络，例如，高压(HV)分布式网络。
术语“高压”是指高于35kV、还达到一百或几百千伏特的电压。
分布式网络使用例如可以是架空(高架)或地下(例如，置于隧道中)的线缆。
除了线缆以外，分布式网络还可以包括许多不同辅助元件，严格来说，指在配电方面不发挥直接作用、而是用于保证配电线路的使用和安全的适当条件的辅助元件。
辅助元件的示例有：还已知为电涌放电器(SA)或电涌抑制器的电涌电压限制器(SVL)、充油式线缆的油压监测系统、用于检查冷却水循环泵和自身冷却水温的温度计。
鉴于放置线缆的环境(其可能因嵌入(recessed)而不利和/或危险(如同在HV网络的情况下))，监测和维护线缆的辅助元件可能是麻烦的，并且不能经常进行。即使将辅助元件装入保护箱中，对它们的工作条件的监测也可能意味着较长的检查和/或中断配电。
实际上，这是强烈不希望的，因为配电线路通常供应从未准备接受服务中断的、非常大的范围且相对大量的用户。
因此，为了能够在如同SVL、油压监测系统、温度计的辅助元件损坏时尽可能容易地更换它们，需要设计针对监测它们的适当运行的问题的解决方案。
在公开的日本专利申请JP 04-092523中，描述了一种针对触点(contact)信息的检测传感器，其用于检测没有施加机械力的触点信息。浅阴影(light shading)机制被提供，并且根据设置在光纤的多个区域处的光学支路装置与镜子之间的触点信息运行。
本申请人注意到，所述浅阴影机制是有源型，即，需要外部能量源来运行，具体来说，在提供的示例中，需要电源来运行。没有设想到电力线缆的应用。
在公开的日本专利申请JP 2004309219中，公开了一种传感器测量系统，其包括用于测量许多物理量的多个光纤测量传感器。
本申请人注意到，这些传感器串联地放置在主光纤上，而非在其分支上，因此，它们之中的一个传感器中的强度下降减少了后续传感器中可获的光量，由此，降低了测量动力。
在公开的日本专利申请JP 03-231116中，设置有光纤传感器，其中，将多分支光纤的光纤端面插入到油中，并且从如同光时域反射计(OTDR)的反射测量装置输入脉冲光；由此衰减光纤端部处的菲涅耳反射，并且检测这种事件。
公开的美国专利申请2004/0240769描述了一种具有存储透射-反射分析器的报警条件分布式光纤传感器。本申请人注意到，透射检测器和反射检测器两者都电连接至存储透射-反射分析器。
美国专利5035511描述了一种基于时域发送的分布式光纤温度传感器。光仅透过传感器一次，并且不向后反射。
发明内容
本申请人面临监测分布在配电网的不同位置中的一组辅助元件(例如，电涌放电器)中的物理量(例如，温度、磁效应)的变化的问题。不利环境(例如，高压和/或嵌入式电力线缆)将意味着实现许多要求：
- 监测系统应当是无源的；
-应当远程标识物理量发生变化的位置(并且，可能是发生变化的瞬间)，并且不需要直接检查，这通常较难甚或不可能执行；
-监测系统应当能够识别并标识在不同位置大致同时发生的物理量的多种变化。
-优选的是，监测系统应当能够识别并标识物理量的变化，而不管其持续时间(系统反应应当快于监测到的事件持续时间，然而，检测时间可能长于事件持续时间)。
在本说明书和权利要求书中，术语“无源”是指装置或组件不需要专用能量源来执行希望功能。这种装置或组件可以根据例如因电涌(电路中电流或电压的瞬时突然上升)或者故障或扰动而生成的物理现象来激活，并且不需要其它馈电装置，例如，电池。具体来说，既不需要电能也不需要机械能。实际上，存在针对监测装置或组件的本地馈电装置可能导致针对上述的关于辅助元件提出的相同问题和麻烦。
根据一个方面，本发明涉及一种用于监测配电网的辅助元件的监测系统，该监视系统包括：
-至少一个光纤路径；
-至少一个光学支路，该至少一个光学支路从所述光纤路径分支出并且可操作地与相应辅助元件相关联，每一个光学支路都包括：
-至少一个无源光学衰减器，该至少一个无源光学衰减器可操作地耦合至相应辅助元件，并且具有适于响应于该相应辅助元件的运行条件中的变化而改变的衰减，和
-光反射器；
-光辐射源，该光辐射源适于将光辐射注入到所述光纤路径中；以及
-光接收器，该光接收器适于检测被所述光反射器反射来的背反射(back-reflected)光辐射，
所述监测系统适于基于背反射光辐射的特征来识别至少一个辅助元件的位置。
优选的是，所述监测系统通过光接收器来识别至少一个辅助元件的位置。
针对本说明书和权利要求书：
-“光源”是指适于通过光纤传播的光辐射的源，光源的示例有激光器和OTDR装置；
-“光接收器”是指检测光信号、将其转换成电信号并且根据进一步使用的需要而处理该电信号的装置；光接收器的示例有光检测器(具体为光电二极管)、OTDR装置，以及光谱分析仪(OSA)；
-“光学衰减器”是指改变透射过随后的光纤的光辐射的强度的装置；光学衰减器的具体实例有光闸(optical shutter)，其是适于大致阻断或者通过光辐射的装置；针对本发明，这种装置根据与监测其变化的物理量有关的外部物理现象来激活；
-“分束器”或“定向耦合器”是指分离地耦合或分开传送线路中的光信号(按已知耦合损耗)的光耦合器件；
-“耦合”是指在分束器中能量从一个光纤向另一光纤或其支路传递；
-“菲涅耳反射”是指根据描述光穿过具有不同折射率的介质时的行为的菲涅耳方程式所预测出的对光辐射的反射；对于普通玻璃来说，反射系数大约为4％；
-“反射器”是指将光辐射的一部分发送回其所来自的地方的装置(镜)；反射器的示例有由大致垂直(80°-90°)于光纤纵轴的切口所得的表面，所述表面可选地被反射材料(例如，金)覆盖；典型地讲，该反射器是可反射尾纤(pigtail)(尾纤是具有自由的未连接端部的光纤的终端段)的一部分；反射器的另一示例为光纤光栅；
“背反射光辐射”是指光辐射在被反射器反射之后朝向光接收器传播回的部分；背反射光辐射具有作为典型光辐射的特征和可以通过光学衰减器和/或反射器赋予光辐射的特征；背反射光辐射的特征的示例有：强度(作为时间的函数)、偏振状态、波长、辐射谱、强度的两个离散值之间的切换频率；背反射光辐射反射回至光接收器的传播延迟。
要监测的辅助元件可以包括从由电涌电压限制器、温度计、压力监测器所构成的组中选定的至少一个元件。优选的是，辅助元件为电涌电压限制器。
无源光学衰减器可以响应于流过可操作地耦合至其的辅助元件的电流。
无源光学衰减器可以以热方式耦合至相应辅助组件。
无源光学衰减器可以具有按因电流流过可操作地与其相关联的辅助元件而造成的升温导致衰减值中的变化的这种方式随温度改变的衰减。另选的是，无源光学衰减器可以包括闭锁型光学开关，并且该衰减值适于每当可操作地与其相关联的辅助元件参与放电时就在第一衰减值与第二衰减值之间切换。
无源光学衰减器的衰减可以适于在与其相关联的辅助元件传导电流达一延长时间时在所述第一衰减值与所述第二衰减值之间重复切换。
优选的是，由每一个光学支路溢出的一小部分光辐射沿光纤路径单调改变，特别是减少。
根据另一方面，本发明涉及一种用于监测配电网的辅助元件的方法，包括以下步骤：
-将配电网与至少一个光纤路径相关联；
-将要监测的辅助元件与从所述光纤路径分支出的相应光学支路相关联；
-将至少一个无源光学衰减器可操作地耦合至每一个辅助元件，该无源光学衰减器是与相应辅助元件相关联的光学支路的一部分；
-将光辐射传播到光纤路径中；
-响应于至少一个辅助元件的运行条件中的变化，使通过至少一个光学支路传播的溢出光辐射背反射；
-检测该背反射光辐射；以及
-基于检测到的背反射光辐射的特征来识别所述至少一个辅助元件沿该配电网的位置。
针对本说明书和随后的权利要求书，除非另行指出，所有表示量、参量、百分数等的数值都应理解为在所有情况下根据术语“大约”来修改。而且，全部范围包括公开的最大点和最小点的任何组合，并且包括可能或不能在此具体列举的任何中间范围。
附图说明
通过阅读下面对本发明的、作为示范性和非限制示例而提供的一些实施方式的描述，本发明的特征和优点将变得清楚，将参照附图进行描述，在附图中：
图1以截面图示出了可以应用本发明的HV配电系统中使用的线缆；
图2示意性地示出了根据本发明一实施方式的应用至配电系统以监测保护其的SVL的监测系统；
图3示意性地示出了图2的具有光接收器的第一实施方式的监测系统；
图4是示出可以通过光接收器检测的背反射光辐射图案(pattern)的简化图；
图5A和5B是可以通过光接收器检测的背反射光辐射的两个不同图案的简化图，其适于识别哪个连接辅助元件检测到物理量的变化；
图6示意性地示出了根据本发明另一实施方式的光学衰减器以及用于该光学衰减器的电路配置；
图7示意性地示出了可以在监测系统中使用的光学衰减器的一实施方式；
图8A到8C是示出可以通过用作监测系统的光接收器的光时域反射计(OTDR)检测的背反射光辐射的不同图案的图；以及
图9是示出可以用作监测系统的光闸的示范性可变光学衰减器(VOA)的衰减变化的示意图。
具体实施方式
图1以截面图示出了用于HV配电网的线缆100；具体为单芯线缆。线缆100从其中心起沿径向向外地包括：中央导体105、由半导电带制成的粘合层(binder)110、由半导电聚合物制成的导体屏蔽层115、例如由交联聚乙烯(XLPE)制成的绝缘层120、也由半导电聚合物制成的绝缘屏蔽层125、例如由半导电吸湿带制成的半导电防水层130、由金属片制成的金属护套140、由高密度聚乙烯(HDPE)制成的夹套145、以及最后典型为半导电的防护涂层150。线缆100可以被用于架空应用或地下。
金属护套140主要具有使电磁场均匀环绕导体105的功能。
如同闪电、配电网的接通调整、线与线对地故障、甩负荷、铁磁共振(仅列举几种)的现象可以造成金属护套中的电压上升至不可接受的高值，例如，高于1KV。为了保护线缆100免受有害过电压(电涌)，使用了辅助元件，具体为SVL。
有利的是，将多个SVL耦合至如同线缆100的配电线缆，沿该线缆大约每隔500m分布。每一个SVL都具有电连接至线缆金属护套140的第一端部205′，和电连接至大地的第二端部205″。图2示意性地示出了线缆100的一段，该线缆100旨在分配三相HV配电线路的三相中的一相，并且具有相关联的沿该线缆100彼此按一距离(例如，按大约500m的间隔)定位的多个SVL 205a、205b、...、205k。
SVL是实现高度非线性电阻器的辅助元件，并且针对如同HV配电系统中的、需要高功率耗散的应用，它包括非金属外壳内部的、所述第一端部与所述第二端部之间的柱状的多个金属氧化物盘。适于本发明的SVL的示例有ABB出售的MW08。
针对金属护套140的电压上升超过SVL的干预阈值(interventionthreshold)(被设计成将金属护套电压保持在几千伏特以下)的情况，SVL变得可导电，并由此，在短暂瞬间(约为几微秒)，它将线缆护套短接至大地，将护套电压限制于可接受值。在正常条件下(即，当SVL正常运行时)，除去线缆经历过电压时的放电期间，没有电流流过该SVL；由此，正常情况下，不存在沿金属护套140流通的电流。
SVL是可靠组件。然而，横跨金属氧化物盘行进的放电导致盘材料的局部烧结，所述烧结与放电能量直接相关。经烧结的材料放松了其电特征的一部分。
因而，每一个SVL都可以经得起有限数量的放电(额定且平均地，每一个SVL都可以在没有破坏的情况下经受得起大约八至十次典型切换电涌放电)。在正常条件下(即，当SVL正常运行时)，除去线缆护套经历过电压时的放电期间，没有电流流过该SVL。然而，当放电累积能量足够高时，横跨金属氧化物盘形成导电路径，并且SVL损坏，变得导电并由此放松其保护能力。
失灵的SVL导致建立到大地的电流传导路径，并由此，使得不可接受地增加整体电路损耗的电流能够流通。在特定情况下，损坏的SVL还可能爆炸，可能导致针对线缆和周围事物的破坏。
为此，应当尽可能快地更换已破坏或失灵的SVL，并且出于这个目的，应当执行对安装在配电线路上的SVL的定期检查，以确保这些元件正常运行，并且在检测到已破坏或失灵的SVL时，立即更换它。
令人遗憾的是，SVL通常不容易接近，甚或完全不可接近于人，因为它们通常安装在防护连接箱中，通过专用二次线路连接至线缆(的金属护套)；这些连接箱通常被密封并且用螺栓固定，而且，线缆本身也不容易接近。这在嵌入式配电网中相当常见。
参照图2，根据本发明一实施方式的系统允许监测用于保护线缆100的SVL的运行。总体标示为210的监测系统是无源的、基于光学的系统，其包括光纤215，该光纤从中央监测单元220开始沿线缆100行进。与SVL 205a、205b、...、205k相对应地，沿光纤215设置有分光器225a、225b、...、225k；分光器225a、225b、...、225k被设计成，将由中央监测单元220的光源230注入到光纤215中并且沿该光纤215传播的光辐射的光功率I的选定的一小部分Ia、Ib、...、Ik溢出。
将光辐射的溢出的每一小部分Ia、Ib、...、Ik馈给至相应光学支路，其包括光学衰减器235a、235b、...、235k和其下游的反射器240a、240b、...、240k。在本实施方式中，当光学衰减器235a、235b、...、235k关闭时，它们阻挡由相关联的分光器225a、225b、...、225k溢出的光辐射，阻止对所述辐射的反射。有利的是，所述光学衰减器可以是低背反射光闸。适于本发明的光学衰减器的示例有PhoenixPhotonics出售的串联光纤光闸。
每一个光学衰减器235a、235b、...、235k都可操作地通过合适耦合器件245a、245b、...、245k耦合至相应SVL 205a、205b、...、205k。
耦合器件245a、245b、...、245k可以是热的、电的、磁的或机械的，或它们的组合。
耦合器件245a、245b、...、245k被设计成，使得要监测的SVL205a、205b、...、205k的运行条件(例如，电流经过的通路)导致光学衰减器235a、235b、...、235k的状态中的变化，例如，它使得光学衰减器235a、235b、...、235k打开，致使由相应分光器225a、225b、...、225k溢出的一小部分光辐射Ia、Ib、...、Ik通过光学衰减器，并且到达反射器240a、240b、...、240k。适于本发明的耦合器件的示例有FiberLogix出售的、1×2端口配置的光纤耦合器。
反射器240a、240b、...、240k被设计成，例如根据菲涅耳反射来反射入射的一小部分光辐射Ia、Ib、...、Ik。具体来说，反射器240a、240b、...、240k可以是通过大致正交于(按90°±3°的角)光纤纵轴切割其而获取的镜表面，并且，可选但有利地以诸如介电层或金的反射材料涂覆如此获得的表面。对于存在反射材料的情况来说，切口可以具有如本领域技术人员已知的更倾斜的角，例如，90°±10°。
在优选实施方式中，反射器240a、240b、...、240k可以是可反射尾纤的一部分。
中央监测单元220还包括光接收器250，其以光学方式耦合至光纤215，以接收并且能够检测沿与注入的光辐射I相反的方向沿光纤215传播的背反射光辐射Ir。具体来说，光接收器250可以包括适于将检测到的光辐射Ir转换成电信号的光电转换部，和适于处理由转换检测到的背反射光辐射Ir所得的电信号的信号处理部。
本发明的这个实施方式的监测系统210按以下方式运行。
中央监测单元220的光源230将选定波长的光辐射I注入到光纤215中；注入的光辐射I传播通过光纤215，并且在它到达与SVL 205a相对应的分光器225a时，选定的一小部分光辐射Ia溢出并且馈给至光学支路，而剩余部分的光辐射继续沿光纤215传播。这同样发生在随后每一个分光器225b、...、225k处。
只要SVL 205a、205b、...、205k不传导电流，可操作地与其相关联的光学衰减器235a、235b、...、235k就不改变与入射光辐射的低背反射条件相对应的状态(对于光闸来说，为关闭状态)；由此，溢出的一小部分光辐射Ia、Ib、...、Ik在到达光学衰减器235a、235b、...、235k时被阻挡，从而在光学衰减器235a、235b、...、235k处不发生显著背反射。如果光学衰减器处于低衰减(对于光闸来说，打开)状态下，则发生相反事件。
而相反，如果SVL 205a、205b、...、205k中的一个传导电流，例如，由于该SVL正在对线缆100的金属护套140的过电压进行放电(在这种情况下，该SVL变得可短暂瞬间导电，并接着返回至其非导电状态)，或者由于该SVL已经损坏并且存在连续流动电流，则耦合器件245a、245b、...、245k导致可操作地与该SVL相关联的光学衰减器235a、235b、...、235k的状态发生变化，并且溢出的一小部分光辐射Ia、Ib、...、Ik由此可以传播通过光学衰减器235a、235b、...、235k，并且到达反射器240a、240b、...、240k，在反射器中，溢出的一小部分光辐射的不可忽略部分Iar、Ibr、...、Ikr朝向分光器225a、225b、...、225k反射回，分光器将背反射光辐射注入到光纤215中；背反射光辐射Iar、Ibr、...、Ikr传播至中央监测单元220，在该中央监测单元220中，它被光接收器250接收并且被检测。
由此，光接收器250检测光辐射的反射图案中的变化，并且检测到的变化表示至少一个SVL的状态的变化。
光源230可以是激光器。
分光器225a、225b、...、225k可以是通过耦合两根光纤而制成的全光纤装置，其中一根光纤是沿线缆205延续的光纤215，另一根光纤是连接在一起达特定长度的局部光学支路的光纤；这种分光器(其具有作为全光纤装置(全部由光纤制成)的优点)还工作为光耦合器，该光耦合器将背反射光辐射Ir重新注入到光纤215中。作为另选例，可以使用微型分光器，该微型分光器具有溢出来自光纤215的光辐射的透镜，和用于将背反射光辐射重新注入到光纤中的部分反射镜。
光接收器250可以是光检测器，如光电二极管、OTDR装置、OSA。
一般来说，光学衰减器235a、235b、...、235k的状态中的变化(例如，对于光闸来说，从关闭状态改变成打开状态)，允许光接收器基于背反射光辐射确定SVL 205a、205b、...、205k中的一个运送电流。
根据光接收器，可以检测到背反射光辐射的不同特征，具体来说，可以检测到光辐射的本征特征或者由光学衰减器和/或反射器赋予背反射光辐射的特征。
例如，利用OTDR装置，允许确定SVL的位置的特征是背反射光辐射的强度随时间的变化。具体来说，如下更详细所述，利用OTDR装置，电流流入的SVL的位置由反射图案中的反射峰值的位置获得。
利用光电二极管，SVL的位置可以利用由光学衰减器赋予背反射光辐射的特征(例如，两个(或以上)值之间的背反射光辐射的强度的周期性切换的频率)来确定。利用OSA，SVL的位置可以利用由反射器(利用如光纤光栅的波长选择反射器)赋予背反射光辐射的特征来确定。
在图3中示意性地描绘的实施方式中，光接收器250包括通过光陀螺305或其它合适组件(如耦合器)以光学方式耦合至光纤215的光检测器，如光电二极管；光电二极管250通过光电转换生成由电信号处理单元310处理的电信号。在光纤中，玻璃不同质性(dishomogeneity)在注入的光辐射I传播时造成特定量的背反射；光电二极管250在注入的光辐射I沿光纤215传播的同时检测由对该注入的光辐射的背反射所生成的整个光辐射Ir，并且这个不是由反射器240a、240b、...、240k的反射得到的背反射光辐射形成了大致固定的背景。如果光学衰减器235a、235b、...、235k中的一个改变状态，转到低衰减状态，则由于反射器240a、240b、...、240k中的一个对光辐射的背反射Iar、Ibr、...、Ikr，而被光电二极管检测到在背反射光辐射强度的固定背景之上的增加(图4)。
在本发明的一实施方式中，耦合电路245a、245b、...、245k和光学衰减器235a、235b、...、235k使得由于检测到通过相应SVL传导的电流，因而，光学衰减器235a、235b、...、235k在低衰减状态与高衰减状态之间重复切换(在光闸的示范情况下，它在打开状态与关闭状态之间重复切换)；倘若这种重复切换随针对光学衰减器235a、235b、...、235k中的每一个而不同的时间图(例如，特定时段)发生，则中央监测单元220中的光检测器除了能够检测恒定背景以上的背反射光辐射中的峰值之外，还能够基于背反射光辐射中的峰值的切换频率来确定哪一个SVL正在传导电流。
结合图5A和5B，在图3示意性地描绘了这种情况。与SVL 205a相关联的光学衰减器235a按如下方式设计，即当SVL 205a传导电流时，光闸235a以特定频率fa在低衰减状态与高衰减状态(例如，在光闸的情况下为打开和关闭)之间重复切换，而与SVL 205b相关联的光学衰减器235b按如下方式设计，即当SVL 205b传导电流时，光学衰减器235b以特定频率fb在打开与关闭之间重复切换；由此，被光电二极管250检测到的信号是具有如同图5A的频率fa或如同图5B的频率fb的波形。信号处理单元310由此可以识别出涉及哪一个SVL，因为在SVL与检测到的信号的频率之间存在相关性。对于电流同时流过两个或更多个SVL的情况来说，SVL可以根据展现全局信号的频率内容的傅立叶分析来识别。
用于实现上述结果的一种方式为，在适合电压和电流减小之后，流过SVL的电流驱动延时继电器，在该延时继电器中，可以针对要监测的每一个元件单独设置脉冲重复率；接着，将该脉冲序列用于接通和切断光学衰减器。
在图6中，示意性地示出了适于生成交替开-关状态的配置。将测量电流用变压器605旁路地连接至对线缆100的金属护套140所经历的过电压进行放电的放电路径。测量电流用变压器605耦合至包括一个或更多个电容器以及稳压器的电荷存储块610。块610生成用于计时器电路615(特别是驱动步进继电器620的长时振荡器)的驱动电压；继电器620支配闭锁型机电光学开关625的状态的变化。
当SVL损坏时(或者当线缆100的金属护套140经历过电压达较长时间时)，电流流过该SVL；测量电流用变压器605生成对块610中的电容器充电并且被稳定化的电压。该电压馈给长时计时器615，该长时计时器生成步进继电器620能够辨别的、具有预置时段的切换电压信号(该电压高低重复切换)，该切换电压信号按交替方式向机电光学开关625的线圈馈给电压，由此生成光学衰减器的切换的打开和关闭。
图6的配置还可以被用于检测快速放电。在这种情况下，电流流过SVL达短暂瞬间；测量电流用变压器605生成对块610中的电容器充电并且被稳定化的电压；将由此生成的电压馈给至计时器615，导致该计时器615生成馈给至步进继电器620的单触发电压脉冲；该步进继电器620使光学开关625改变其状态(由此，光学衰减器例如从关闭切换成打开)。作为闭锁型光学开关，其即使在终止放电并且由测量电流用变压器605所生成的电压消失之后也保持在获得(attained)状态下。在这种情况下，每当一个SVL变得可导电以对金属护套140的过电压(例如，因闪电)进行放电时，相关联的光学衰减器将状态从关闭改变成打开，或者从打开改变成关闭，因此，溢出的一小部分光保持背反射或停止直到下一次放电。
在图7中，示意性地描绘了作为全光纤的“渐逝场(evanescentfield)”装置的无源热光学衰减器的可能实施方式。该装置包括光纤705，该光纤具有被包层715包围的光纤芯710，该包层除了部分720外具有比芯710的折射率低的折射率，部分720由合适聚合物(例如，DuPont de Nemours出售的光聚合物)制成，假设该包层部分的折射率随温度而变化，并且具体地，在室温(例如，25°)下，该折射率高于芯710的折射率，而对于较高温度来说，该折射率减小。光纤705特别是其部分720例如通过物理直接接触而与相应SVL 205a、205b、...、205k热耦合。当SVL没有传导电流时，其温度相对较低(其大致处于室温下)，这样，包层部分720具有比芯710的折射率高的折射率，并且光纤705不再引导来自分光器225a、225b、...、225k的光辐射，该光辐射由此耗散并且不会到达反射器240a、240b、...、240k。与此相反，当SVL传导电流725时，因焦耳效应而生成的热致使光纤705的温度增加，使得聚合物包层部分720的折射率低于芯710的折射率；来自分光器225a、225b、...、225k的光辐射由此可以经过光学衰减器并且到达反射器240a、240b、...、240k，在该反射器处，它被反射回。
图7的热光学衰减器可以与被用作光源230和光接收器250两者的OTDR装置组合使用。如本领域已知，OTDR装置是光电子仪器，其通常被用于特征化光纤。OTDR装置被设置成，将一系列光辐射脉冲注入到光纤215中。该光辐射脉冲沿光纤215传播；光辐射I从光纤中的例如因光纤不同质性而造成折射率改变的点反射回。测量返回脉冲的强度并且作为时间的函数来求积分，并且作为光纤长度的函数例如在显示装置上进行标绘。图8A中的图示出了作为沿光纤215的距离(横坐标，单位[Km])的函数的、背反射光辐射Ir的强度(纵坐标，单位[dB])的示范性曲线805；该强度远离存在分光器225a、225b、...、225k的位置大致平滑地减小：阶梯状的强度减小810a、810b、810c、810d、810e在与沿线缆设置分光器的地方相对应的位置中可见。
虽然图8A的实施例是指其中所有光学衰减器处于高衰减状态(在光闸的情况下，为关闭状态)下的情况，因而不存在对溢出光辐射的背反射(唯一的背反射光辐射起因于光纤215的本征不同质性)，但在图8B和8C中，示出了其中一个或更多个光学衰减器处于低衰减状态(在光闸的情况下，为打开状态)下并且光辐射被反射器240a、240b、...、240k背反射的不同情况。具体来说，在图8B的曲线805b中，背反射光辐射Ir的强度中的峰值815c在与第三分光器相对应的位置中可见。在图8C的曲线805c中，背反射光辐射Ir的强度中的两个峰值815b和815d在与第二和第四分光器相对应的位置中可见。基于背反射光辐射的强度中的检测到的一个或多个峰值的位置，由此，可以确定涉及哪一个SVL。
作为针对生成光辐射脉冲的OTDR装置的另选例，可以使用相关性OTDR装置(COTDR)。如本领域技术人员已知，COTDR装置生成一系列光辐射脉冲并且使它们与背反射光辐射相关。
OTDR或COTDR装置可以结合前文中描述的任何光学衰减器类型使用。
利用热光学衰减器，OTDR或COTDR装置能够基于对背反射光辐射的强度中的峰值的位置的确定来识别哪一个SVL传导电流。利用OTDR或COTDR装置和图5的配置，还可以通过对关联光闸改变状态(从关闭到打开，或从打开到关闭)的次数进行计数，而对由每一个SVL单独维持的放电事件的数量“计数”。
这样，可以执行对SVL的预防性维护：当一般SVL接近最大数量(典型为8-10次)的其可以承受而不会损坏的放电时，将其更换。
不同分光器225a、225b、...、225k的分束比(splitting ratio)可以一致，或者另选的是，每一个分光器都可以具有特定分束比。例如，靠近中央监测单元220的分光器的分束比可以低于远离中央监测单元220的分光器的分束比，使得背反射光辐射强度中的与更靠近中央监测单元220的SVL相对应的峰值降低。例如，距中央监测单元220最远的分光器可以具有50/50的分束比，而其它分光器可以具有20/80的分束比。具体来说，分束比可以取决于反射器240a、240b、...、240k的反射率：例如，针对切断光纤边缘处的简单菲涅耳反射的情况，分束比(即，溢出光辐射的量)应当增加，而使用高反射率尾纤允许减小分束比。在每一个分光器处溢出的一小部分光辐射可以随着远离光源而单调减少。而且，为了调节(减小)被每一个反射器240a、240b、...、240k背反射的光辐射的强度，可以在光闸235a、235b、...、235k与反射器240a、240b、...、240k之间设置图2中示意性地描绘的并在其中标示为255的光纤环路：通过改变该光纤环路255的弯曲半径，来增加/减小光损耗。
作为使用高反射率尾纤的另选例，反射器240a、240b、...、240k可以由光纤光栅制成，该光纤光栅被设计成根据SVL按不同波长选择性地反射光辐射，并且在中央监测单元220处，可以采用OSA来辨别背反射光辐射波长，并由此定位SVL。
还可以使用其它类型的光学衰减器，例如，基于光电或磁光效应的光学衰减器，或机械光闸。而且，可以组合两个或更多个不同类型的光学衰减器：例如，热光学衰减器可以结合机电光学衰减器使用。更一般地说，可以使用适于衰减和/或阻挡入射光辐射或者使其通过的任何组件。
本发明还涉及远程估定监测系统的强度，实际上，万一光纤215或分光器下游的光学支路中的光纤被破坏或损坏(这并非是不大可能的事件，尤其当配电网设置在由不同分布式系统(如电话网、煤气等)共享的地下隧道中时，由此非特定领域的技术人员可能接近)，其后果是，监测系统的运行受到危害。利用OTDR或COTDR装置允许估定光纤完整性，并且，在损坏的情况下，允许识别出损坏的位置。应当指出，原则上，为监测监测系统的完整性而使用的这种OTDR或COTDR装置可以与为监测配电线路的辅助元件而使用的光接收器250截然不同，然而，优选的是，将相同仪器用于两个目的。具体来说，不同波长下的光辐射可以被用于监测辅助元件和监测系统的完整性。例如，参照图9(其是具有纵坐标为衰减α、单位[dB]，而横坐标为波长λ、单位[nm]的图)，假定将渐逝场VOA用于实现光学衰减器235a、235b、...、235k。VOA相当于温度传感器，只要外部温度低于大约50℃，其在选定第一运行波长λ1(例如，大约1625nm)下，保持“关闭”  (大于第一衰减值的α1、与高衰减相对应的、该图中标示C的条件)，而当外部温度上升超过大约60℃时，VOA“打开”(即，其衰减变得低于比第一衰减值α1低的第二衰减值α2；在该图中，打开条件标示为O)。假定将第一运行波长λ1用于监测SVL的运行条件。即使VOA在第一波长λ1下关闭，也可以监测该监测系统的完整性，假若使用比第一波长低的第二波长λ2(例如，大约1310nm)下的光信号，则在该波长下，即使处于较低的外部温度(在该图所示实施例中，低至5℃)，VOA也展现低于第二衰减值α2的相对较低衰减。因而，即使VOA不允许第一波长下的光辐射通过并到达反射器240a、240b、...、240k，第二波长下的光辐射也能通过、到达反射器240a、240b、...、240k，被反射回，并由此OTDR检测到与辅助元件相对应的位置中的第二波长下的背反射光辐射中的峰值，并且这提供了对系统完整性的指示；而相反，如果没有检测到所述峰值中的一个或更多个，则这意指系统完整性已经受到危害。
典型地讲，在配电网中，三根线缆并列运行，以输送三相电；因而，在沿线缆的更多或更少规则间隔位置处，彼此相对靠近地设置有三个一组的诸如SVL的辅助元件(例如，装在箱子中)。原则上，可以将三个图2所示类型的监测系统用于监测三根线缆中的每一根线缆的SVL；然而，可以使用具有单个中央监测单元220和沿配电线路行进的的单根光纤215的单个监测系统。可以按光闸对SVL组中的三个SVL中的任一个的运行条件敏感的方式，将具有分光器225a、225b、...、225k、光学衰减器235a、235b、...、235k以及反射器240a、240b、...、240k的公共光学支路关联至每一个SVL组。然而，这样，不能辨别SVL组中的哪一个SVL承受放电或损坏。作为另选例，可以使用单个中央监测单元，而通过耦合器将沿三根线缆行进的三根光纤耦合在一起。作为另一另选例，可以使用单个光纤，而可以针对SVL组中的每一个SVL设置不同光学支路(即，不同的分光器、光学衰减器以及反射器)；这允许单独监测SVL组中的SVL；万一SVL组中的SVL的物理距离(正常情况下，为若干米)不足以OTDR或COTDR装置进行辨别，可以在光学支路中设置具有不同长度的光纤线轴，以改变被OTDR或COTDR装置检测到的背反射光辐射强度中的峰值的位置。
由于本发明，因而可以监测沿配电线路散布的辅助元件的运行条件，并且识别哪一个辅助元件正在感测线缆上的物理事件或者损坏或接近损坏；由此，在配电网真正需要维护运行时执行它们，并且采用更有效的方式，由此在时间和频率方面减少任何可能服务中断。而且，本发明甚至可以被用于设置预防性维护计划，其目的是，在辅助元件实际上损坏之前、在它们接近平均最大运行寿命时，更换或恢复它们。
本发明的监测系统完全是无源的，可以根据例如因电涌或故障或扰动而生成的物理现象来激活，而不需要其它外部能量馈给，如电池等。
可以远离配电线路定位的中央监测单元的集中式特性(即，不在现场)使得维护光源变容易了。
考虑本发明的一些示范性实施方式而对本发明进行了描述，然而，本领域技术人员应当意识到，可以对本发明的所述实施方式和不同实施方式进行若干修改，例如为了满足偶发需要。
例如，尽管总是针对监测SVL进行说明，但本发明具有更一般的适用性，并且可以被用于监测配电线路的任何辅助元件，举例来说，如线缆接头。
本发明的监测系统可以使用任何合适种类的光纤，例如，聚合物光纤、聚合物包层光纤、单模光纤或多模光纤。选择特定类型的光纤可以由本领域技术人员基于特定应用来进行。

Claims (21)

1.一种用于监测配电网(100)的辅助元件(205a、205b、...、205k)的系统，包括：
-至少一个光纤路径(215)；
-至少一个光学支路，所述至少一个光学支路从所述光纤路径(215)分支出，所述至少一个光学支路可操作地与相应辅助元件(205a、205b、...、205k)相关联，每一个光学支路都包括：
-至少一个无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)，所述至少一个无源光学衰减器可操作地耦合至所述相应辅助元件(205a、205b、...、205k)，并且具有适于响应于所述相应辅助元件(205a、205b、...、205k)的运行条件中的变化而改变的衰减，和
-光反射器(240a、240b、...、240k)；
-光辐射源(230)，该光辐射源适于将光辐射(I)注入到所述光纤路径(215)中；以及
-光接收器(250、310)，该光接收器适于检测被所述光反射器(240a、240b、...、240k)反射来的背反射光辐射(Iar、Ibr、...、Ikr)，
-所述监测系统适于基于所述背反射光辐射(Iar、Ibr、...、Ikr)的特征来识别至少一个辅助元件(205a、205b、...、205k)的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述监测系统通过所述光接收器来识别至少一个辅助元件的位置。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述背反射光辐射(Iar、Ibr、...、Ikr)的所述特征包括：所述背反射光辐射的强度随时间的变化、所述背反射光辐射的强度在至少两个不同值之间切换的频率、所述背反射光辐射的频谱、所述背反射光辐射到达所述光接收器的传播延迟、所述背反射光辐射的偏振状态。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辅助元件(205a、205b、...、205k)包括从由电涌电压限制器、温度计、压力监测器所构成的组中选定的至少一个元件。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)响应于流过所述辅助元件(205a、205b、...、205k)的电流。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)以热方式耦合至所述相应辅助元件(205a、205b、...、205k)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)具有按如下方式随温度改变的衰减，即因电流流过所述辅助元件(205a、205b、...、205k)而造成的升温导致衰减值的变化。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)包括闭锁型光学开关，并且衰减值适于每当辅助元件(205a、205b、...、205k)参与放电时就在第一衰减值与第二衰减值之间切换。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)的衰减适于在辅助元件(205a、205b、...、205k)传导电流达一延长时间时在所述第一衰减值与所述第二衰减值之间重复切换。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，由每一个光学支路溢出的一小部分光辐射(Ia、Ib、...、Ik)沿所述光纤路径单调改变。
11.一种监测配电网(100)的辅助元件(205a、205b、...、205k)的方法，包括以下步骤：
-将所述配电网与至少一个光纤路径(215)相关联；
-通过从所述光纤路径分支出的相应光学支路来关联要监测的所述辅助元件；
-将至少一个无源光学衰减器(235a、235b、...、235k)可操作地耦合至每一个所述辅助元件，所述无源光学衰减器是与所述相应辅助元件相关联的所述光学支路的一部分；
-将光辐射(I)传播到所述光纤路径中；
-响应于至少一个所述辅助元件的运行条件中的变化，使通过至少一个所述光学支路传播的溢出光辐射(Ia、Ib、...、Ik)被背反射而生成背反射光辐射；
-检测所述背反射光辐射；以及
-基于检测到的所述背反射光辐射的特征来识别所述至少一个辅助元件沿所述配电网的位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述背反射光辐射的所述特征包括：所述背反射光辐射的强度随时间的变化、所述背反射光辐射的强度在至少两个不同值之间切换的频率、所述背反射光辐射的频谱、所述背反射光辐射到达所述光接收器所需的时间间隔、所述背反射光辐射的偏振状态。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述至少一个无源光学衰减器具有响应于要监测的至少一个所述组件的运行条件而至少在一个第一较高值与一个第二较低值之间可变的衰减。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，每一个所述光学支路都包括在无源光学衰减器下游的反射器(240a、240b、...、240k)。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，要监测的所述辅助元件包括从由电涌电压限制器、温度计、压力监测器所构成的组中选定的至少一个元件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述无源光学衰减器响应于流过可操作地耦合至其的辅助元件的电流。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可操作地耦合包括以热方式耦合。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述无源光学衰减器具有按如下方式随温度改变的衰减，即因电流流过可操作地与其相关联的辅助元件而造成的升温导致衰减值的变化。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述无源光学衰减器包括闭锁型光学开关，并且所述衰减值适于每当可操作地与其相关联的辅助元件参与放电时就在第一衰减值与第二衰减值之间切换。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述无源光学衰减器具有适于在与其相关联的辅助元件传导电流达一延长时间时在所述第一衰减值与所述第二衰减值之间重复切换的衰减值。
21.根据权利要求11所述的方法，其中，由每一个光学支路溢出的一小部分光辐射沿所述光纤路径单调改变。
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