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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur faserbasierten Temperaturdetektion.
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Der zunehmende Anteil an erneuerbarer Energie in der elektrischen Stromerzeugung führt zu einer höheren Flexibilität bei der Führung der Stromnetze sowie der Erzeugung mittels konventioneller Kraftwerke. Die neue Europäische Norm für die Stromnetze ENTSO-E, die die Lastbedingungen für das transnationale Hochspannungsnetz definiert, sieht eine breitere Fluktuation von elektrischer Leistung und Frequenz vor sowie steilere Last-Rampen. Bestehende Netze und Betriebsanlagen sind für diese Betriebszustände nicht konstruiert und ausgelegt worden. Um während kritischer Netzbetriebszustände die Systemsicherheit zu gewährleisten und die Investitionen in Milliardenhöhe zu sichern, sind daher besondere Monitoring-Maßnahmen erforderlich.
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Beim Bau neuer Stromleitungen können faseroptische Temperaturmesssysteme integriert werden, die die thermische Last überwachen. Hier sind im Stromkabel, das unterirdisch verlegt wird, Lichtwellenleiter integriert, über die die Temperaturverteilung und damit die Last entlang der Leitung gemessen wird.
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Verteilte Messsysteme (DTS, distributed temperature sensing) sind beispielsweise aus den Schriften
US 2013/0301037 ,
US 7,769,252 B2 und
US 7,113,659 bekannt. Gemäß der US 2013/0301037 werden zwei Verfahren zur verteilten Temperaturmessung kombiniert. Mittels einer Multimode-Faser wird eine Messung per Raman-Streuung durchgeführt. Parallel dazu findet mittels einer Monomode-Faser eine Messung per Rayleigh- und/oder Brillouin-Streuung statt. Beide Messungen können durch Verwendung einer Doppelmantelfaser kombiniert werden.
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Aus der
US 7,769,252 B2 ist ein Messsystem bekannt, das eine Rückstreuung nach Raman oder Brillouin verwendet. Für die Kalibrierung der Faserlänge werden zusätzlich Faser-Bragg-Gitter verwendet, über die mittels Laufzeitmessung die optische Länge bestimmt wird.
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Aus der
US 7,113,659 B2 ist ein Messsystem bekannt, das eine Rückstreuung nach Raman verwendet. Dabei wird weiterhin eine Doppelmantelfaser eingesetzt, wobei das Pumplicht für die Raman-Rückstreuung im inneren Monomode-Faserkern geführt wird. Das rückgestreute Licht wiederum wird über den Multimode-Faserkern eingesammelt.
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An den bekannten Verfahren ist nachteilig, dass die Genauigkeit der Temperaturmessung im Bereich von Betriebsmitteln und Betriebsanlagen, den Knotenpunkten der Netze gering ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zur Temperaturmessung anzugeben, die die genannten Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Temperaturmessung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur faserbasierten Temperaturdetektion umfasst eine Doppelmantelfaser zur Führung von Strahlungssignalen, wobei die Doppelmantelfaser einen Monomode-Faserkern und einen Multimode-Faserkern aufweist, und wobei der Monomode-Faserkern eine oder mehrere Bragg-Gitter-Messstellen umfasst. Weiterhin umfasst die Einrichtung eine erste Strahlungsquelle zur Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung in den Monomode-Faserkern und eine zweite Strahlungsquelle zur Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung in den Multimode-Faserkern. Schließlich weist die Einrichtung eine Auswerteeinrichtung zur Aufnahme und Auswertung zurückgestreuter Strahlung aus der Doppelmantelfaser auf, wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist, aus der rückgestreuten Strahlung der ersten Strahlungsquelle einen jeweiligen lokalen Temperaturwert für den Ort oder die Ort der Bragg-Gitter-Messstellen zu ermitteln und aus der rückgestreuten Strahlung der zweiten Strahlungsquelle eine Temperaturverteilung über die Länge der Doppelmantelfaser zu ermitteln.
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Mit anderen Worten verwendet die Einrichtung eine verteilte Temperaturmessmethode (DTS), beispielsweise mit Auswertung der Raman-Streuung oder Brillouin-Streuung und kombiniert diese mit einer punktuellen Temperaturmessmethode mittels Bragg-Gittern, die in den Monomode-Faserkern eingeschrieben sind. Zweckmäßig sind die Bragg-Gitter im Bereich von Knotenpunkten des Netzes vorgesehen, während in Bereichen, in denen die Ortsauflösung der verteilten Messung ausreichend ist, keine Bragg-Gitter vorhanden sind.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt daher eine verteilte Temperaturmessung und gleichzeitig vorteilhaft auch eine punktuelle Temperaturmessung, wobei für die kombinierte Messung weiterhin nur eine Faser verwendet wird. Dabei ist die punktuelle Messung der Temperatur mittels Faser-Bragg-Gitter bekanntermaßen multiplexfähig, d.h. es können mehrere Messstellen in der Faser realisiert werden und unabhängig voneinander ausgelesen werden.
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Es wird damit durch die Erfindung eine Einrichtung geschaffen, mit der sich ein Netzwerk aus punktförmigen und verteilten Sensoren aufbauen lässt, um Betriebsanlagen in ihrer Gesamtheit überwachen zu können. Zu den Anwendungen zählen u.a. die Überwachung von Substations (Umspannwerke, Schaltanlagen, Sammelschienen), HVDC-Konvertern (HGÜ-Pole, Umrichter), Kraftwerksanlagen und ihren Generatoren, Transformatoren und Leistungsschaltern.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Einrichtung noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- – Zweckmäßig wird zur Ermittlung des lokalen Temperaturwerts eine Abweichung der rückgestreuten Wellenlänge von der durch die Herstellung des Bragg-Gitters festgelegten Grundwellenlänge ermittelt und ausgewertet.
- – Zweckmäßig wird für die Auslesung der Bragg-Gitter breitbandige Strahlung in den Monomode-Faserkern eingestrahlt, beispielsweise mittels einer breitbandigen Leuchtdiode oder einem durchstimmbaren Laser als erste Strahlungsquelle. Überstreicht der Wellenlängenbereich der Strahlung die Wellenlängen der Bragg-Gitter entweder sequentiell mittels Durchstimmung eines Lasers oder grundsätzlich bei einer entsprechend breitbandigen Lichtquelle, so können jederzeit die Bragg-Gitter abgefragt werden und Temperaturwerte ermittelt werden.
- – Bevorzugt wird als Messverfahren zur Ermittlung des verteilten Temperaturwerts Raman-Rückstreuung verwendet. Dabei kommt bevorzugt ein Laser als zweite Strahlungsquelle zum Einsatz und es sind weiterhin Mittel zur Modulation des Lasers gemäß der Frequency Modulated Continuous Wave oder Optical Frequency Domain Reflectrometry vorhanden. Zur Einkopplung der Strahlung der zweiten Lichtquelle in den Multimode-Faserkern der Doppelmantelfaser ist zweckmäßig ein Richtkoppler vorhanden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert.
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Dabei zeigt in schematisierter Form die 1 ein Messsystem 10 zur verteilten und gleichzeitig punktuellen Temperaturmessung. Das Messsystem 10 umfasst eine Doppelmantelfaser 11, die in diesem Beispiel in ein unterirdisch verlegtes Stromkabel integriert ist. Das Stromkabel ist in 1 nicht gezeigt. In Messbereichen 131, 132 läuft die Doppelmantelfaser 11 daher parallel zu dem Stromkabel und ist in einem engen thermischen Kontakt mit diesem. Dadurch kann in diesen Messbereichen 131, 132 eine verteilte Temperaturbestimmung für das Stromkabel durchgeführt werden.
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Weiterhin ist die Doppelmantelfaser 11 im Bereich von beispielsweise einem Umspannwerk zu dortigen wichtigen Punkten verlegt und dort in thermischen Kontakt gebracht. Das Umspannwerk steht nur beispielhaft für eine Reihe von möglichen Punkten in einem Netzwerk, für die eine punktuelle Messung der Temperatur wichtig sein kann. Weitere Beispiele für solche Punkte sind Schaltanlagen, Sammelschienen, HVDC-Konverter wie HGÜ-Pole und Umrichter sowie Kraftwerksanlagen und ihre Generatoren und Transformatoren und Leistungsschalter.
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Bei der Doppelmantelfaser 11 handelt es sich um eine Faser mit einem Monomode-Faserkern und einem Multimode-Faserkern, der beispielsweise um den Monomode-Faserkern herum angeordnet ist. Die Doppelmantelfaser 11 kann beispielsweise eine passive Faser ohne Er/Yb-Dotierung sein.
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Dort, wo ein thermischer Kontakt zwischen einem wichtigen Punkt und der Doppelmantelfaser 11 hergestellt ist, ist in der Doppelmantelfaser 11 ein Bragg-Gitter 121, 122 eingebracht. Im vorliegenden Beispiel sind zwei separate Bragg-Gitter 121, 122 dargestellt, die Doppelmantelfaser 11 kann aber auch nur ein solches Bragg-Gitter 121, 122 aufweisen oder eine höhere Zahl wie fünf oder zehn solcher Bragg-Gitter 121, 122. Die Bragg-Gitter 121, 122 sind dabei in den Monomode-Faserkern der Doppelmantelfaser 11 eingeschrieben.
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Zur Durchführung einer Temperaturmessung umfasst das Messsystem 10 noch weitere Komponenten. Diese umfassen einen Laser 16, der über eine Modulationseinrichtung 15 gespeist wird.
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Der Laser 16 koppelt seine Strahlung über einen Richtkoppler (Combiner) 19 in den Multimode-Faserkern der Doppelmantelfaser 11 ein. Angesteuert werden der Laser 16 und die Modulationseinrichtung 15 von einer Steuereinrichtung 14. Das Licht des Lasers 16 wird für die verteilte Temperaturmessung verwendet.
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Die Steuereinrichtung 14 steuert weiterhin auch eine breitbandige Leuchtdiode 17 an, deren Licht über einen Faserkoppler 18 in den Monomode-Faserkern der Doppelmantelfaser 11 eingestrahlt wird. Das Licht der Leuchtdiode 17 wird für die punktuelle Temperaturmessung verwendet.
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Über den Faserkoppler 18 wird die im Monomode-Faserkern der Doppelmantelfaser 11 an Bragg-Gittern 121, 122 zurückgestreute Strahlung wird ausgekoppelt und in eine Auswerteeinrichtung 20 geleitet. Diese bestimmt in für sich genommen bekannter Weise aus den spektralen Eigenschaften des aufgenommenen Strahlung die Temperaturen bei den Bragg-Gittern 121, 122. Dazu kann beispielsweise die Peak-Wellenlänge der zurückgestreuten Strahlung bestimmt werden und mit einer gespeicherten Wellenlänge für das jeweilige Bragg-Gitter 121, 122 verglichen werden. Die Abweichung ist ein Maß für die Temperatur des Bragg-Gitters 121, 122 und damit den Geräten, die damit in engem Kontakt stehen.
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Über den Richtkoppler 19 wird das im Multimode-Faserkern der Doppelmantelfaser 11 zurückgestreute Licht ausgekoppelt und ebenfalls in die Auswerteeinrichtung 20 geleitet. Dort findet eine Auswertung als verteilte Temperaturmessung beispielsweise nach Raman-Rückstreuung statt. Die so ermittelten Werte für die Temperatur sind Werte entlang der Länge der Doppelmantelfaser 11.
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Die Auswerteeinrichtung 20, Steuereinrichtung 14 und Modulationseinrichtung 15 sind in diesem Beispiel als separate Vorrichtungen dargestellt und beschrieben, können jedoch ebensogut als Einheit realisiert werden.
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Üblicherweise weisen die Messergebnisse der verteilten Temperaturmessung eine geringe örtliche Auflösung auf. Weiterhin ist die Zuordnung von Orten nicht völlig unproblematisch, da die Lichtausbreitung von Faser zu Faser variiert. Da Streckenteile der Doppelmantelfaser 11, die die Bragg-Gitter 121, 122 aufweisen, ebenfalls mittels der verteilten Messung mitvermessen werden, ist es vorteilhaft möglich, die punktuellen an den Bragg-Gittern 121, 122 gemessenen Werte für eine Korrektur der Messergebnisse der verteilten Messung zu verwenden. Dazu werden die an den Bragg-Gittern 121, 122 gemessenen Werte mit den Ergebnissen aus der verteilten Messung korreliert und so eine Korrektur für die Beziehung zwischen Lichtlaufzeit und Ort für das Messergebnis durchgeführt. Konkret muss versucht werden, in den Messergebnissen der verteilten Messung anhand der Temperaturen diejenigen Orte zu finden, die der Lage der Bragg-Gitter 121, 122 in der Doppelmantelfaser 11 entsprechen. Damit wird die Zuordnung der Messergebnisse der verteilten Messung zu konkreten Orten entlang beispielsweise des Stromkabels verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0301037 [0004]
- US 7769252 B2 [0004, 0005]
- US 7113659 [0004]
- US 7113659 B2 [0006]
