CN102393263A

CN102393263A - 电缆隧道光纤在线温度监测系统

Info

Publication number: CN102393263A
Application number: CN2011104008865A
Authority: CN
Inventors: 赵生传; 时翔; 陈志勇; 江川; 齐蔚海; 王兴照; 韩克存; 武志刚; 牟磊; 李涛; 郭建豪; 毕建鑫; 王鹏
Original assignee: Qingdao Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: Qingdao Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2012-03-28

Abstract

电缆隧道光纤在线温度监测系统包括光路耦合器，光路耦合器分别与BBS、光滤波器和恒温槽相连接，其中，恒温槽与连接到隧道电缆的传感光纤相连接，光滤波器与光接收机相连接，光接收机与数据采集与处理模块相连接，数据采集与处理模块与计算机相连接，BBS与计算机相连接。具有结构合理、操作简单、安全可靠、监测及时、判断准确等特点。采用先进的光时域反射技术和喇曼散射光对温度敏感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，提高了监测结果的准确性和通用性，实现电力电缆的系统、全面和准确的监测，从根本上消除了环境和电磁干扰对测量结果的影响，是理想的供电网络中对电力电缆进行实时监测的电缆隧道光纤在线温度监测专用配套装置。

Description

电缆隧道光纤在线温度监测系统

技术领域

本发明涉及的是供电网络在线检测技术，更详细地讲是关于供电网络、石油管网、隧道、大坝及大型设备中对管路、电缆进行实时监测的电缆隧道光纤在线温度监测系统。

背景技术

由于高压电力电缆铺设于地下，长时间运行后检修常常不到位，再加上环境温度等因素的影响，部分有缺陷的位置往往会发热，并且电流越大，温度升高越快，发热点电阻增大，从而产生更多的热量，使得电阻进一步增大，温度继续升高，形成恶性循环。如果不及时发现和处理，最终将导致起火或爆炸，造成线路损坏，严重的可引发火灾和大面积的停电事故。这一现象在负荷增长较快的地区显得尤为普遍。

目前，对电力电缆的重要部位如接头等的温度监测主要仍靠人工去测量，例如定期派人到现场用红外线或激光测温仪进行远距离测量，这种人工测量的方法主要存在以下问题：①监测周期长，许多地方发热现象得不到及时发现和处理；②监测范围受限制，只能检测电缆接头，无法对封闭在管道里的电力电缆部分进行监测；③检测和分析判断由人工进行，因此检测和分析结果受人为因素影响较大；④红外线或激光测温仪价格往往比较昂贵，受资金影响，其普及和推广难度较大。

近年来，ABB、西门子及国内一些生产厂家也陆续开发出了一些高压电力电缆温度监测设备，但从应用情况来看，效果不好，主要表现在以下几个方面：①高电压的隔离是高压电力电缆温度监测系统的技术难点也是技术关键。现有的温度监测方法主要采用热电耦、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现，这些温度传感器一般都不是直接测量带电物体的温度，并且需要通过金属导线传输信号，传感器本身以及其信号传输通道受电磁干扰和环境的影响较大，无法保证绝缘性能，因而无法保证监测结果的准确性；②传统的温度监测普遍存在传感器体积偏大、安装困难、易受环境和周围电磁场的干扰、需人工操作、实现在线监测的成本高昂等问题，尤其无法在整条电力电缆上安装，只能实现一小部分电力电缆的部分接头的温度监测，无法实现全部电力电缆的系统、全面、准确监测；③现有的电力电缆温度监测系统或设备，绝大部分是电力一次设备生产厂家开发出的针对自己产品的监测设备，功能单一，通用性差，执行标准混乱，并且与变电综合自动化等监控系统接口困难，很难进行普及和推广。

发明内容

本发明提供了一种能消除上述缺点，具有结构合理、操作简单、安全可靠、监测及时、判断准确、成本低、效率高、稳定性好等特点的电缆隧道光纤在线温度监测系统，尤其是采用先进的光时域反射技术和喇曼散射光对温度敏感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，提高了监测结果的准确性和通用性，实现电力电缆的系统、全面和准确的监测；采用传感光纤作探测器，从根本上消除了环境和电磁干扰对测量结果的影响，具备防爆、防雷、防腐蚀、抗电磁干扰等优点，可用于高压电缆、皮带机、石油、管道泄漏、隧道火灾探测、大坝安全监测等。该系统采集的温度信息通过光信号传输，不受电磁干扰，防潮湿，传输距离长，损耗小，也易扩展；是理想的供电网络中对电力电缆进行实时监测的电缆隧道光纤在线温度监测专用配套装置。

本发明的电缆隧道光纤在线温度监测系统包括光路耦合器，光路耦合器分别与BBS、光滤波器和恒温槽相连接，其中，恒温槽与连接到隧道电缆的传感光纤相连接，光滤波器与光接收机相连接，光接收机与数据采集与处理模块相连接，数据采集与处理模块与计算机相连接，BBS与计算机相连接。所述BBS包括半导体激光器， BBS通过激光器尾纤与光路耦合器连接，BBS在计算机控制下输出光脉冲。所述光路耦合器是输入端接收BBS输出的光脉冲，其输出连接恒温槽，通过恒温槽将光脉冲输出传送至传感光纤。所述光路耦合器是将传感光纤散射回来的喇曼散射光耦合至光滤波器，经光滤波器从喇曼散射光中滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，由光接收机接收斯托克斯光和反斯托克斯光，并进行光电转换和放大处理，输出处理后的信号，该信号由数据采集与处理模块进行采样和处理，经计算机计算出温度。该系统原理是利用光纤的光时域反射仪原理和光纤的后向喇曼散射温度效应，即：当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播；在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反；这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的关系；也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度；利用测量出后向反射光的强度，计算出反射点的温度。

所述BBS(指的是“光源”，即“发光设备”)用于在计算机控制下输出光脉冲；所述光路耦合器用于接收所述BBS输出的光脉冲，输出给恒温槽；所述恒温槽用于将所述光脉冲输出给传感光纤；

所述光路耦合器用于将所述传感光纤散射回来的喇曼散射光耦合至光滤波器；所述光滤波器用于从所述喇曼散射光中滤出斯托克斯光和反斯托克斯光；所述光接收机分别用于接收所述斯托克斯光和反斯托克斯光，并进行光电转换和放大处理，输出处理后的信号；所述数据采集与处理模块用于对所述光接收机输出的信号进行采样和处理，输出处理后的数据信号；所述计算机用于根据所述数据采集与处理模块输出的数据信号，计算出温度。

进一步的，所述BBS还包括半导体激光器，所述BBS通过激光器尾纤与所述光路耦合器连接。

该系统所依据的基本原理是分布式光纤温度传感原理，其主要利用光纤的光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，简称：OTDR）原理和光纤的后向喇曼散射（Raman scattering）温度效应。具体地说，当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播。因光纤内壁类似镜面，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的关系。反射点的温度（光纤所处的环境温度）越高，反射光的强度也越大。也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这是利用光纤测量温度的基本原理。

本发明提供的电缆隧道光纤在线温度监测系统，采用先进的光时域反射技术和喇曼散射光对温度敏感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，提高了监测结果的准确性和通用性，实现了电力电缆的系统、全面和准确的监测。

附图说明

图1：电缆隧道光纤在线温度监测系统结构示意图

图2：图1中喇曼散射频移示意图

图中：11-BBS、12-光路耦合器、13-恒温槽、14-光滤波器15-光接收机、16-数据采集与处理模块、17-计算机。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的结构：

如图所示的电缆隧道光纤在线温度监测系统实现温度监测功能所依据的基本原理：该系统所依据的基本原理是分布式光纤温度传感原理，其主要利用光纤的光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，简称：OTDR）原理和光纤的后向喇曼散射（Raman scattering）温度效应。具体地说，当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播。因光纤内壁类似镜面，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的关系。反射点的温度（光纤所处的环境温度）越高，反射光的强度也越大。也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。

图2为本发明中喇曼散射频移示意图。当频率为ν0的激光入射到光纤中，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波中除了有一条与入射光频率ν0相同的中心谱线之外，在其两侧还存在着(ν0-Δν)及(ν0+Δν)两条谱线。其中中心谱线为瑞利散射谱线，低频一侧频率为(ν0-Δν)、波长为λs的谱线称为斯托克斯（Stokes）线，参见图1中的D，高频一侧频率为(ν0+Δν)、波长为λa的谱线，称为反斯托克斯（Anti-stokes）线，参见图1中的C。另外，图1中的A为入射信号线，B为布里渊散射线。

根据喇曼散射理论，在自然喇曼散射条件下，两束反射光的光强与温度有关。为了消除激光管输出的不稳定性、光纤弯曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度，在系统设计中，采用双通道双波长比较的方法，如图1所示，即对斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号。由于反斯托克斯光对温度更为灵敏，因此，将反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为比较通道，则两者之间的强度比为：

Figure 2011104008865100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

在公式（1）中，λs和λa分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的波长；h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为玻尔兹曼常数；νo为入射光频率；T为绝对温度。

从公式（1）中可以看出，R(T)与温度T有关，而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。因此，借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光强之比值可以实现温度的测量。另外，利用OTDR技术，还可以根据激光后向散射信号在光纤中的损耗来监测光纤的故障点和断点的位置，进而获知电缆断线的有关信息。其中喇曼散射是由于光纤分子的热振动，它会在光纤每点产生一个比BBS波长长的斯托克斯光和一个比BBS波长短的反斯托克斯光，光纤受外部温度影响，光纤中的反斯托克斯光强发生变化，通过测量喇曼散射光的频移、斯托克斯光强Is和反斯托克斯光强Ia，经正交化处理以消除非温度效应如光纤老化衰减和扭曲变形等影响，可以计算出被测量点的温度。根据发射入射脉冲光和接收到喇曼散射光的时间差可以标定光纤长度，实现被测量点的定位。假设激光脉冲输入光纤后经过ti秒后在入射端检测到从断面i产生的喇曼散射光，则断面i与入射端的距离xi为：

xi=c ti/2n

上式中，c为光在真空中的传播速度；n为光纤介质的折射率。

根据上述测试原理，本发明提供了一种电缆隧道光纤在线温度监测系统。图2为本发明提供的电缆隧道光纤在线温度监测系统一实施例的结构示意图。如图1所示，该系统包括光路耦合器12，光路耦合器12分别与BBS11、光滤波器14和恒温槽13相连接；所述恒温槽13与连接到隧道电缆的传感光纤相连接，所述光滤波器14与光接收机15相连接，所述光接收机15与数据采集与处理模块16相连接，数据采集与处理模块16与计算机17相连接；所述BBS11还与所述计算机17相连接

BBS11用于在计算机17的控制下输出光脉冲；光路耦合器12用于接收BBS11输出的光脉冲，输出给恒温槽13；恒温槽13用于将光脉冲输出给传感光纤。

光路耦合器12还用于将传感光纤散射回来的喇曼散射光耦合至光滤波器14；光滤波器14用于从喇曼散射光中滤出斯托克斯光和反斯托克斯光；光接收机15用于接收斯托克斯光和反斯托克斯光，并进行光电转换和放大处理，输出处理后的信号；数据采集与处理模块16用于对光接收机15输出的信号进行采样和处理，输出处理后的数据信号；计算机17用于根据数据采集与处理模块16输出的数据信号，计算出温度。

进一步的，BBS11还包括半导体激光器，BBS11通过激光器尾纤与光路耦合器12连接。

具体地说，在计算机17的控制下，BBS产生一大电流脉冲，该电流脉冲驱动半导体激光器产生大功率的光脉冲，并注入激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲要经过光路耦合器12后进入一段放置在恒温槽13中的光纤（用于系统标定），然后进入传感光纤。

当激光在传感光纤中发生散射后，携带有温度信息的喇曼后向散射光将返回到光路耦合器12中，光路耦合器12不但可以将BBS11产生的光脉冲直接耦合至传感光纤，而且还可以将散射回来的不同于发射波长的喇曼散射光耦合至光滤波器14。光滤波器14滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，两路光信号经过光接收机15时进行光电转换和放大，然后由数据采集与处理模块16进行高速数据采样并转换为数字量，最后经过对信号进一步处理（提高信噪比），送入计算机17进行温度的计算。

根据公式（1）可以得到：

（2）

对于固定的温度（恒温槽标定温度为

Figure 2011104008865100002DEST_PATH_IMAGE003

），则有：

（3）

根据公式（2）和（3）可以得到：

Figure 2011104008865100002DEST_PATH_IMAGE005

（4）

因此，在测温系统标定后，通过测定R(T)，利用已知温度

下的光强之比，根据后向光波的传播时间，就可以确定沿光纤各测量点的温度值。

上述实施例提供的电缆隧道光纤在线温度监测系统利用光纤实现感测和信号传输，采用先进的OTDR技术和喇曼散射光对温度敏感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，测量距离在几公里的范围，空间定位的分辨率达到1米，能够进行不间断的自动测量，特别适用于如电力电缆这样需要大范围多点测量的应用场合。该系统采用传感光纤作探测器，本身不带电，从根本上消除了环境和电磁干扰对测量结果的影响，具有本质防爆、防雷、防腐蚀、抗电磁干扰等优点，可用于高压电缆、皮带机、石油、管道泄漏、隧道火灾探测、大坝安全监测等。该系统采集的温度信息通过光信号传输，不受电磁干扰，防潮湿，虽然传输距离长，但损耗小。该系统稳定性和可靠性良好，也易扩展。

本发明很好地利用了先进的光时域反射技术和喇曼散射光对温度敏感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，大大地提高了监测结果的准确性和通用性，减低了电网的管理和使用成本，实现了电力电缆的系统、全面和准确的监测。

Claims

1.一种电缆隧道光纤在线温度监测系统，其特征在于该系统包括光路耦合器，光路耦合器分别与BBS、光滤波器和恒温槽相连接，其中，恒温槽与连接到隧道电缆的传感光纤相连接，光滤波器与光接收机相连接，光接收机与数据采集与处理模块相连接，数据采集与处理模块与计算机相连接，BBS与计算机相连接。

2.如权利要求1所述的电缆隧道光纤在线温度监测系统，其特征在于所述BBS包括半导体激光器， BBS通过激光器尾纤与光路耦合器连接，BBS在计算机控制下输出光脉冲。

3.如权利要求1或2所述的电缆隧道光纤在线温度监测系统，其特征在于所述光路耦合器是输入端接收BBS输出的光脉冲，其输出连接恒温槽，通过恒温槽将光脉冲输出传送至传感光纤。

4.如权利要求1或2或3所述的电缆隧道光纤在线温度监测系统，其特征在于所述光路耦合器是将传感光纤散射回来的喇曼散射光耦合至光滤波器，经光滤波器从喇曼散射光中滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，由光接收机接收斯托克斯光和反斯托克斯光，并进行光电转换和放大处理，输出处理后的信号，该信号由数据采集与处理模块进行采样和处理，经计算机计算出温度。

5.如权利要求1或2所述的电缆隧道光纤在线温度监测系统，其特征在于该系统原理是利用光纤的光时域反射仪原理和光纤的后向喇曼散射温度效应，即：当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播；在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反；这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的关系；也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度；利用测量出后向反射光的强度，计算出反射点的温度。