旋转反射式光纤传感测温系统

光纤测温系统是一种利用光在光纤中传播的某种特性, 实现实时测量空间温度场分布的新技术, 对光纤沿线场所的温度进行分布式连续检测, 光纤本身就是温度传感器。该技术特别适用于电气设备的温度检测, 并能和消防报警系统配合使用, 对电力系统一次带电设备进行在线温度检测, 它将给变电站的 五遥 监控系统充实新的内容, 在发电厂、变电站中有广阔的应用前景。

1引言

分布式光纤温度传感系统 ( 简称光纤测温系统) 是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。该系统利用光时域反射( OTDR) 技术、激光拉曼光谱技术, 经波分复用器、光电检测器等对采集的温度信息进行放大、信号处理, 并将温度信息实时显示出来。该技术最早于 1981 年由英国南安普顿大学提出, 目前, 国外( 主要是英国、日本等国) 已利用激光拉曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品, 国内也在积极开展这方面的研究工作, 已经研制成功分布式光纤温度传感器的系列产品, 并在一些工业领域得到了初步应用, 效果非常理想。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、信号传输带宽等特点, 它能够连续测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离在几公里的范围, 空间定位精度达到米的数量级, 能够进行不间断的自动测量, 特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。在电力系统中, 这种光纤传感技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良易产生发热的部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

2光纤温度传感的检测原则

光纤温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射( OTDR: Optical T ime Domain Reflectome try) 原理以及光纤的背向拉曼散射( Raman Scat tering) 温度效应。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。因光纤内壁类似镜子, 故光脉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( 亦可称为背向) 。这种背向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度( 该点的光纤的环境温度) 越高, 反射光的强度也越大。也就是说, 背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象, 若能测量出背向反射光的强度, 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。

如用公式来表达: 当频率为 V 0 的激光入射到光纤中, 它在光纤中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有一与入射光频率 V 0 相同的很强的中心谱线之外, 在其两侧,还存着( V 0- V) 及( V 0+ V) 的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线, 低频一侧频率为( V 0-V) 、波长为 s 的谱线称为斯托克斯线( stokes) , 高频一侧频率为( V 0+ V) 、波长为 a 的谱线,称为反斯托克斯线( Anti- stokes) 。根据拉曼散射理论, 在自然拉曼散射条件下, 反斯托克斯光强 Ia 于斯托克斯光强 Is 的比值 R( r) 为

R ( r ) = I a/ Is= ( s/ a) 4ex p ( - hcV 0/ kT ) ( 1)

式中: h普朗克常数;

c真空中的光速;

k波尔兹曼常数;

T绝对温度

从( 1) 式中可以看出, R( r) 仅与温度 T 有关,而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。据此, 我们可以借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值来实现温度绝对测量, 利用该原理的温度传感检测原理如图 1 所示。另外, 利用 OTDR 技术, 还可以确定光纤长度损耗和光纤故障点、断点的位置。

图 1 分布式光纤温度传感系统的原理示意图

3 光纤温度传感系统的结构

分布式光纤温度传感系统由激光二极管

( LD) 和驱动器( DRIVER) 、光电检测器( APD) 和

放大器组件( AMP) 、光纤传感回路( OFL) 和信号处理电路、计算机等组成, 如图 2 所示。

图 2 分布式光纤温度传感系统的结构框图

为确保激光二极管功率及峰值波长的稳定,采用半导体在冷低温恒温槽冷却工作。激光脉冲通过耦合器入射到光纤传感回路, 并将光纤传感回路的背向散射回波采集回来, 通过波长甄别模块分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道; 光电检测器组件为高灵敏、低噪声硅雪崩二级管组件 (APD) , 为了确保 APD 的稳定工作, 使其在低温恒温槽冷却工作。信号处理电路由高速瞬态平均器和累加器组成, 计算机主要用于温度信号的解调和信号处理、显示。根据用户的需要, 设计软件和界面。

4系统特点

4. 1 实现温度监测对象由于其他原因过热故障的早期预测, 防患于未然。

4. 2 发生过热故障时, 系统能提供报警并准确确定过热位置, 指导检修工作。

4. 3 具有 CRT 显示器, 直观显示温度监测对象的具体位置及名称, 实时连续的温度监测, 保存历史数据, 以便作日后积累的经验和事故分析的依据。

4. 4 具有局域网络接口, 可与站内的管理网络相连, 实现信息的共享, 联结站内局域网的计算机可同样具有温度显示和报警功能, 安装于主控室的主机和联网的计算机能够自动显示相应的报警提示。

4. 5 分布式光纤温度传感器是最近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术, 它能够连续测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离在几公里的范围, 空间定位精度达到米的数量级, 能够进行不间断的自动测量, 特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。

4. 6 分布式光纤温度传感系统作为传统揽式温感火灾探测器的替代品, 具有精度高、数据传输及

读取速度快、自适应性能好等优点。实现了传统式温度测量无法实现的诸多功能和现场无法解决的问题。

5 光纤测温系统和传统式传感器的性能比较

比较内容分布式光纤传感系统传统传感器

传感分布特性检测点连续, 可以全面检测被监视对象的各点的情检测点间断, 只有检测探头接触的点, 才能被检

况。检测范围大( 几公里至几十公里) 。测。检测范围小。

探头光纤, 抗干扰性能强, 绝缘性能好, 无击穿、烧毁等电子传感器, 有电路通道, 极易受电磁干扰, 对与

问题。高压设备的绝缘要求特别高。检修维护很难。

检测信号输出光信号, 不受电力设备的电磁干扰。弱电信号, 极易受到电磁干扰。

信号通道光纤, 探头与信号通道一体, 不怕干扰, 不怕高压,电路, 对与高压设备的绝缘要求特别高。检修维

系统简单安全。护很难。

检测: 光电技术检测: 模拟电子

信号处理技术传输: 光信号传输: 弱电信号

处理: 高速数字技术处理: 数字技术

系统可靠性由于系统精练, 可靠性很高。可靠性低, 受探头、信号传输通道、主机等全部设

备影响。

施工、安装方便, 能在细小的夹缝、易燃、易爆、有毒、有害、恶不方便, 许多地方无法实施甚至无法安装; 布线

劣环境下安装; 布线简单; 基本不需要维护。复杂; 维护困难。

不带电, 抗射频和电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐早期技术, 过去应用广泛。在许多特殊环境下无

其它特点高压和强电磁场、耐辐射, 能在各种有害的环境中

法使用。

工作。

6光纤温度传感系统的性能及技术指标

介绍该系统的主要技术性能指标。如表 2 所示。

表 2分布式光纤温度传感系统的性能指标

性能指标台式便 携 式

测温范围- 30~ 120( 普通外套的光纤)

- 170~ 500( 特殊外套的光纤)

测温精度最小 1, 平均 2

测量距离2km ( 典型)可定制长达 10km 距离的系统

空间分辨率2. 5m, 使用光纤绕组为 5cm

系统硬件配置主机+ 测温光纤+ 计算机( 选购)主机( 内置工控机和液晶显示屏) + 测温光纤

光纤型号: 62. 5/ 125GI 光纤( 通信光纤的标准型号之一)

光纤的规格外套规格: 普通型: 有外径为 0. 25mm、0. 90mm 和 3mm 的塑料管三种。

特殊型: 外径为 3mm 的不锈钢管

系统功能扩展可以选用光纤切换模块同时检测多路测温光纤

表 2 可知, 分布式光纤温度传感系统的测温范围很大, 采用特殊外套的光纤其范围可达到-~ 500 , 可以满足绝大多数工业环境的温度检测。其测温精度可以达到数公里, 但是选用的光纤却不是特殊类型的产品, 仅为普通的通讯用光纤, 这样, 该系统也就具备了较高的性能价格比。

7 光纤温度传感系统在电力系统的应用

1 , 测量的距离分布式光纤温度传感系统自投产以来, 主要应用于电力系统、建筑、化工、油田以至海洋开发等领域, 并已取得大量可信可靠的应用业绩。近两年来, 由广州羊城科技实业有限公司研制生产的分布式光纤温度传感系统在国内电力系统的变电站、发电厂已经陆续使用, 获得了良好的效果。

7. 1 光纤温度传感系统在电气设备温度监测方面的特点

7. 1. 1 光纤测温是一个连续的实时监测系统, 可以测量和记录任何时刻的温度, 并可以设置多个报警点。另外, 光纤测温还可以根据环境温度的不同, 对报警点温度进行自动修正。而目前火灾报警系统中常用的感温电缆只能设置一个报警点, 如要改变报警温度, 则只能改换另外一种规格, 不能作到报警点温度的任意设置。

7. 1. 2 光纤测温可以对电气配电装置的母排、动力电缆的接头等部位进行 零距离 监测。其构成原理决定了它不会受到电磁干扰的影响, 也不会对电气设备的正常运行带来任何负面的影响。 7. 1. 3 通过采用不同的外护套材料, 光纤温度传感系统可以适应各种工作环境。

7. 2光纤温度传感系统在电力系统中的应用

光纤测温在电力系统的应用范围, 归纳起来包括以下几个方面。

7. 2. 1 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控

可以应用在发电厂、变电站的电缆夹层、电缆沟道、大型电缆隧道( 例如广州珠江新城 3. 8km 的地下电缆隧道) 的温度监测和监控。对电力电缆的监护, 可以将测温光纤贴在电缆的表面, 在取得了电缆表面数据后, 将电缆的负荷电流同时描成一组相关曲线, 并从电流值推算出芯线导体的温度系数, 从表面温度变化与导体温度变化之差 ( 相同时刻作比较) 便可以求出表面温度与运行负荷电流的相关关系, 并以此来支持供电系统的安全运行。

另外, 在诸如大型电缆隧道等场合, 其内部环境温度的高低对保证电缆的正常运行有很大关系, 采用光纤温度传感系统后, 可以对其进行分布式连续监测, 如有必要甚至可以与通风、空调开关柜内的电缆接头、10kV 、35kV 高压开关柜动静触头及电气设备的连接头是易出故障的薄弱环节, 原因是该部位接触不良, 接触电阻较大,在大电流情况下该处热功率很大, 其结果是接头发热严重, 加剧接触面氧化, 使得接触电阻进一步增大, 形成恶性循环, 发展到一定阶段后, 则会造成严重的故障, 破坏供电的安全可靠。而采用光纤测温, 则可以将光纤缠绕在接头上, 实时监测其温度, 在演变成事故前, 及早发现并采取处理措施。

7. 2. 3 发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统

光纤测温系统因可以实时长期监测温度, 并自动将所检测数据寄存于电脑, 故可以做到温度变化的差动监测。更可以提前做出过热预报, 亦即火灾早期报警, 这更是一般的热源传感器或烟雾传感器等报警方式难以胜任的, 另外, 本系统还可以与火灾报警系统联动使用, 在达到设定的报警条件时, 启动消防系统。

7. 2. 4其它

可以预计的场合还包括: 各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断; 火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测; 地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。

8结束语

光纤温度传感作为一种高新技术在国内已经开始推广应用。我们相信随着电力系统广大工程技术人员对该技术的熟悉了解, 该技术必将对电力系统的安全运行作出贡献。

光纤测温系统是一种利用光在光纤中传播的某种特性, 实现实时测量空间温度场分布的新技术, 对光纤沿线场所的温度进行分布式连续检测, 光纤本身就是温度传感器。该技术特别适用于电气设备的温度检测, 并能和消防报警系统配合使用, 对电力系统一次带电设备进行在线温度检测, 它将给变电站的 五遥 监控系统充实新的内容, 在发电厂、变电站中有广阔的应用前景。

1引言

分布式光纤温度传感系统 ( 简称光纤测温系统) 是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。该系统利用光时域反射( OTDR) 技术、激光拉曼光谱技术, 经波分复用器、光电检测器等对采集的温度信息进行放大、信号处理, 并将温度信息实时显示出来。该技术最早于 1981 年由英国南安普顿大学提出, 目前, 国外( 主要是英国、日本等国) 已利用激光拉曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品, 国内也在积极开展这方面的研究工作, 已经研制成功分布式光纤温度传感器的系列产品, 并在一些工业领域得到了初步应用, 效果非常理想。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、信号传输带宽等特点, 它能够连续测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离在几公里的范围, 空间定位精度达到米的数量级, 能够进行不间断的自动测量, 特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。在电力系统中, 这种光纤传感技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良易产生发热的部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

2光纤温度传感的检测原则

光纤温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射( OTDR: Optical T ime Domain Reflectome try) 原理以及光纤的背向拉曼散射( Raman Scat tering) 温度效应。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。因光纤内壁类似镜子, 故光脉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( 亦可称为背向) 。这种背向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度( 该点的光纤的环境温度) 越高, 反射光的强度也越大。也就是说, 背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象, 若能测量出背向反射光的强度, 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。

如用公式来表达: 当频率为 V 0 的激光入射到光纤中, 它在光纤中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有一与入射光频率 V 0 相同的很强的中心谱线之外, 在其两侧,还存着( V 0- V) 及( V 0+ V) 的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线, 低频一侧频率为( V 0-V) 、波长为 s 的谱线称为斯托克斯线( stokes) , 高频一侧频率为( V 0+ V) 、波长为 a 的谱线,称为反斯托克斯线( Anti- stokes) 。根据拉曼散射理论, 在自然拉曼散射条件下, 反斯托克斯光强 Ia 于斯托克斯光强 Is 的比值 R( r) 为

R ( r ) = I a/ Is= ( s/ a) 4ex p ( - hcV 0/ kT ) ( 1)

式中: h普朗克常数;

c真空中的光速;

k波尔兹曼常数;

T绝对温度

从( 1) 式中可以看出, R( r) 仅与温度 T 有关,而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。据此, 我们可以借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值来实现温度绝对测量, 利用该原理的温度传感检测原理如图 1 所示。另外, 利用 OTDR 技术, 还可以确定光纤长度损耗和光纤故障点、断点的位置。

图 1 分布式光纤温度传感系统的原理示意图

3 光纤温度传感系统的结构

分布式光纤温度传感系统由激光二极管

( LD) 和驱动器( DRIVER) 、光电检测器( APD) 和

放大器组件( AMP) 、光纤传感回路( OFL) 和信号处理电路、计算机等组成, 如图 2 所示。

图 2 分布式光纤温度传感系统的结构框图

为确保激光二极管功率及峰值波长的稳定,采用半导体在冷低温恒温槽冷却工作。激光脉冲通过耦合器入射到光纤传感回路, 并将光纤传感回路的背向散射回波采集回来, 通过波长甄别模块分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道; 光电检测器组件为高灵敏、低噪声硅雪崩二级管组件 (APD) , 为了确保 APD 的稳定工作, 使其在低温恒温槽冷却工作。信号处理电路由高速瞬态平均器和累加器组成, 计算机主要用于温度信号的解调和信号处理、显示。根据用户的需要, 设计软件和界面。

4系统特点

4. 1 实现温度监测对象由于其他原因过热故障的早期预测, 防患于未然。

4. 2 发生过热故障时, 系统能提供报警并准确确定过热位置, 指导检修工作。

4. 3 具有 CRT 显示器, 直观显示温度监测对象的具体位置及名称, 实时连续的温度监测, 保存历史数据, 以便作日后积累的经验和事故分析的依据。

4. 4 具有局域网络接口, 可与站内的管理网络相连, 实现信息的共享, 联结站内局域网的计算机可同样具有温度显示和报警功能, 安装于主控室的主机和联网的计算机能够自动显示相应的报警提示。

4. 5 分布式光纤温度传感器是最近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术, 它能够连续测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离在几公里的范围, 空间定位精度达到米的数量级, 能够进行不间断的自动测量, 特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。

4. 6 分布式光纤温度传感系统作为传统揽式温感火灾探测器的替代品, 具有精度高、数据传输及

读取速度快、自适应性能好等优点。实现了传统式温度测量无法实现的诸多功能和现场无法解决的问题。

表 2 可知, 分布式光纤温度传感系统的测温范围很大, 采用特殊外套的光纤其范围可达到-~ 500 , 可以满足绝大多数工业环境的温度检测。其测温精度可以达到数公里, 但是选用的光纤却不是特殊类型的产品, 仅为普通的通讯用光纤, 这样, 该系统也就具备了较高的性能价格比。

7 光纤温度传感系统在电力系统的应用

1 , 测量的距离分布式光纤温度传感系统自投产以来, 主要应用于电力系统、建筑、化工、油田以至海洋开发等领域, 并已取得大量可信可靠的应用业绩。近两年来, 由广州羊城科技实业有限公司研制生产的分布式光纤温度传感系统在国内电力系统的变电站、发电厂已经陆续使用, 获得了良好的效果。

7. 1 光纤温度传感系统在电气设备温度监测方面的特点

7. 1. 1 光纤测温是一个连续的实时监测系统, 可以测量和记录任何时刻的温度, 并可以设置多个报警点。另外, 光纤测温还可以根据环境温度的不同, 对报警点温度进行自动修正。而目前火灾报警系统中常用的感温电缆只能设置一个报警点, 如要改变报警温度, 则只能改换另外一种规格, 不能作到报警点温度的任意设置。

7. 1. 2 光纤测温可以对电气配电装置的母排、动力电缆的接头等部位进行 零距离 监测。其构成原理决定了它不会受到电磁干扰的影响, 也不会对电气设备的正常运行带来任何负面的影响。 7. 1. 3 通过采用不同的外护套材料, 光纤温度传感系统可以适应各种工作环境。

7. 2光纤温度传感系统在电力系统中的应用

光纤测温在电力系统的应用范围, 归纳起来包括以下几个方面。

7. 2. 1 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控

可以应用在发电厂、变电站的电缆夹层、电缆沟道、大型电缆隧道( 例如广州珠江新城 3. 8km 的地下电缆隧道) 的温度监测和监控。对电力电缆的监护, 可以将测温光纤贴在电缆的表面, 在取得了电缆表面数据后, 将电缆的负荷电流同时描成一组相关曲线, 并从电流值推算出芯线导体的温度系数, 从表面温度变化与导体温度变化之差 ( 相同时刻作比较) 便可以求出表面温度与运行负荷电流的相关关系, 并以此来支持供电系统的安全运行。

另外, 在诸如大型电缆隧道等场合, 其内部环境温度的高低对保证电缆的正常运行有很大关系, 采用光纤温度传感系统后, 可以对其进行分布式连续监测, 如有必要甚至可以与通风、空调开关柜内的电缆接头、10kV 、35kV 高压开关柜动静触头及电气设备的连接头是易出故障的薄弱环节, 原因是该部位接触不良, 接触电阻较大,在大电流情况下该处热功率很大, 其结果是接头发热严重, 加剧接触面氧化, 使得接触电阻进一步增大, 形成恶性循环, 发展到一定阶段后, 则会造成严重的故障, 破坏供电的安全可靠。而采用光纤测温, 则可以将光纤缠绕在接头上, 实时监测其温度, 在演变成事故前, 及早发现并采取处理措施。

7. 2. 3 发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统

光纤测温系统因可以实时长期监测温度, 并自动将所检测数据寄存于电脑, 故可以做到温度变化的差动监测。更可以提前做出过热预报, 亦即火灾早期报警, 这更是一般的热源传感器或烟雾传感器等报警方式难以胜任的, 另外, 本系统还可以与火灾报警系统联动使用, 在达到设定的报警条件时, 启动消防系统。

7. 2. 4其它

可以预计的场合还包括: 各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断; 火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测; 地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。

8结束语

光纤温度传感作为一种高新技术在国内已经开始推广应用。我们相信随着电力系统广大工程技术人员对该技术的熟悉了解, 该技术必将对电力系统的安全运行作出贡献。