一种分布式光纤光栅电缆温度传感器

一种分布式光纤光栅电缆温度传感器

张燕君;康瑞雪;娄俊波;韦波;李进;陈凌军;苏玉玲

【摘 要】提出了一种新型分布式光纤光栅温度监测系统,可以实现电缆温度的实时

在线监测.基于热传导方程和边界条件的基础上,采用有限元法对电缆温度场进行了

分析,为监测电缆温度提供了理论依据.光纤光栅本身不带电,抗辐射和电磁干扰能力

强,耐高压和腐蚀,非常适合用做高压电力环境中的温度传感器.通过光纤光栅的温度

特性实验,在20～100 ℃的温度范围内,光纤光栅的中心波长随温度变化呈良好的线

性,线性度达到99.8%.通过对标准的热电偶温度传感器与光纤光栅温度传感器的对

比实验,表明该系统测量时间-温度变化曲线跟随性好,温度差均小于1 ℃,符合电力

电缆温度状态在线监测的使用要求.

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2010(040)004

【总页数】5页(P405-409)

【关键词】电缆;温度场;光纤光栅;温度在线检测系统

【作 者】张燕君;康瑞雪;娄俊波;韦波;李进;陈凌军;苏玉玲

【作者单位】燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;海湾安全技术有

限公司,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕

山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河

北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信

息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇

岛,066004

【正文语种】中 文

【中图分类】TP212.11

1 引 言

电缆是电力系统的重要组成部分,由于电缆常置于地下,其潜在的老化和缺陷不易被

发现,随着运行时间的增加,有可能因为电缆过热或者短路而导致火灾。如能在事故

发生早期通过温度测量进行预警并迅速采取措施,就能有效避免此类事故。

由于在高压传输环境中电压高、电流大、磁场强,传统的电类测温只能对局部位置

进行测温,无法对整条线路进行温度监测。在基于光纤温度传感的测温技术中[1-7],

当光纤上的某一区域温度发生改变时 ,拉曼散射的固有算法会剔除其中的异常温度,

从而得出在分辨率长度中除异常点之外的平均温度,可能无法监测出异常温度,而且

光纤过度弯曲和挤压都会严重影响测量精度。红外技术[8-9]测温测量精确度较低,

设备昂贵,维护成本高。

光纤光栅温度传感器克服了以上传感器的缺点,可以实现对目标温度的快速准确测

量,光纤光栅传感信号是波长调制,不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗等因素

的影响,同时避免了光纤传感器中相位测量混乱和固有参考点的需要,而且一根光纤

中可以串接多个光纤光栅进行分布式测量,后期维护成本低,所以适合于在线监测使

用。本文基于此,提出了一种基于光纤光栅的电缆温度传感器,检测不同温度下对应

的光纤光栅反射波长变化即可实时得出电缆温度,对标准的热电偶温度传感器和光

纤光栅温度传感器进行了对比实验,结果表明符合电力电缆在线监测的使用要求。

2 电缆的温度场分析

已有的电缆温度场计算方法概括为有限元法、边界元法、有限差分法等。

有限差分法能简单、精确地确定电缆温度,但很难对复杂形状区域进行表示;边界元

法的优点在于计算量从三维简化为二维,明显低于区域型的计算方法,但是当处理具

有多层土壤的实际电缆沟问题或具有多根电缆铺设的问题时,边界元法的计算量变

得特别大,难以应用。

有限元法是有限差分和变分法的结合,有极大的适应性、灵活性和较高的计算精度,

是最常用的一种方法。

有限元法采用了网格剖分的技术,是利用部分插值把区域连续求解的微分方程离散

成求解线性代数方程组。而且不受场域形状的限制,可以具有任意布置的节点和网

格,从而对复杂区域和复杂边界问题的求解带来极大的适应性和灵活性,具有较高的

计算精度[10]。因此采用有限元法进行地下对电缆和周围土壤的温度分布进行数值

计算。

2.1 温度场中导热微分方程

温度场中用来描述三维非稳态导热微分方程的一般形式:

式中,ρ,c,λ和 Υ各为微元体的密度、比热容、导热系数及单位时间单位体积中内热

源的生成热;t为时间。

2.2 左、右和下边界条件

设电缆位于无限大的土壤中,用柱坐标对场域进行表达,则有:

式中,T1,T2分别是电缆表皮温度和土壤温度;r1,r2分别为电缆直径和土壤外径;λ为

导热系数;q为体积发热量。

2.3 上边界条件

表层土壤和空气的换热属于自然对流换热,换热系数为:

式中,d为土壤深度;Nu=C(GrPr)n,Gr为格拉晓夫数;Pr为普朗特数;查表可得参数

C,n的值,根据对流换热牛顿公式得出土壤表层温度梯度为:

式中,T1,T2分别为土壤表层和空气的温度;α为对流换热系数;λ为土壤导热系数。

求出土壤表层温度梯度后可求出土壤表层温度。因为电缆剖面是对称的,结合热传

导方程和边界条件对电缆截面进行温度场仿真。

由图1可见,温度由缆芯向四周扩散温度逐渐降低,由图2得出电缆从缆芯到外护层

温度大约降低 20℃。因此光纤应被置于尽可能的靠近电缆的缆芯的位置来更精确

地测量电缆的实际温度。基于以上分析,设计了一种分布式光纤光栅温度监测系统,

并进行了实验。

图1 电缆截面温度三维连续分布图

图2 电缆截面二维温度分布图

3 光纤光栅温度传感原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写

入纤芯,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成空间的相位光栅,工

作原理如图3所示。

图3 光纤光栅结构图

由于光纤 Bragg光栅的中心波长随纤芯的有效折射率 neff和栅格周期 Λ的变化

而改变,而外界参量(如温度、应变等)的改变会对光纤光栅的有效折射率和栅格周期

产生影响,所以温度的改变会引起光纤光栅 Bragg中心波长 λB的漂移:

式中,ΔneT为光纤光栅有效折射率因温度的改变而产生的变化;ΔΛT为光纤光栅的

栅格周期因温度的改变而产生的变化,而:

式中,ξ为热光系数;αf为热膨胀系数。将上两式代入式(5)中得:

设温度灵敏度系数为 KT,则:

由式(9)可得:

由此可见,光栅波长变化与温度变化呈现很好的线性关系,只要测量出光栅反射波长

的改变,从而得到其环境温度的变化,这就是光纤光栅测温的原理。

光纤光栅本身不带电,抗辐射和电磁干扰能力强,耐高压和腐蚀,传感信号是波长调制,

不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗等因素的影响特别是温度与反射波长存在

良好的线性关系,非常适合用做高压电力环境中的温度传感器。

4 传感系统的组成

基于光纤光栅电缆温度在线监测系统如图4所示,该系统主要由宽带光源(BBS)、可

调谐光纤法布里 -珀罗腔滤波器(FFP-TF)和现场可编程门阵列(FPGA)等构成。

图4 电缆温度在线监测系统

将光纤光栅固定在电缆表面,该系统可以同时对两条电缆进行监测,BBS发出的光经

过 FFPTF滤波后形成窄带光源。FFP-TF工作在扫描状态,FPGA发出的锯齿波扫描

电压加在其中的压电组件上调节 FFP-TF的腔长,使其在一定范围内扫描,当窄带光

扫过某个 Bragg波长时,则有相应传感光栅反射的光信号输出经过光探测模块后转

化为电流信号,电信号经过放大、滤波后变为电压信号,然后通过模数转换器(ADC)

转换为数字信号送入 FPGA系统进行数字信号处理。FPGA将处理的数据结果送到

液晶屏上显示当前温度值并报警。

数模转换器(DAC)和低通滤波器辅助 FPGA产生锯齿波扫描电压,同时 FPGA还对

DAC和 ADC进行逻辑控制,使之保持一定的同步。

当电缆的温度发生变化时,从光纤光栅反射回来的中心波长也发生改变,该系统实时

解调此中心波长即可显示出当前电缆的温度状态,能在事故之前发出报警。

5 实验与分析

5.1 光纤光栅温度特性实验与分析

按照图5组装实验系统,选用的 FBG1～FBG4的中心波长 1530 nm,1540

nm,1550 nm,1560 nm。

图5 光纤光栅温度特性实验装置图

实验中用到的实验所用光源为上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产 1U机架系列

ASE光源,工作波长范围为 1525～1565 nm,输出光功率最大值为15.6 d Bm,光谱

仪为安藤公司生产的AQ6317B型光谱分析仪,可以分析的有效波长范围为 600～

1750 nm。将光纤光栅放入电热温度箱中,从 20℃开始每隔 10℃左右进行加温,用

光谱仪观察反射谱,记录温度值和 FBG中心波长的值。其中 FBG4温度和中心波长

的关系如图6所示。

图6 光纤光栅FBG4的温度和中心波长关系曲线

由图6可得:在 20～100℃的温度范围内,FBG的中心波长随温度变化呈良好的线性,

线性度达到99.83%,相对误差达到 12.73%,可能是由于温控箱密封不好,导致温度

计读数误差所致。另外,光谱仪存在一定的回程误差,这使得记录波长同实际波长有

一定的偏差。

5.2 电缆测温实验结果与分析

准备了一条长 150 m的 110 KV的电力电缆,模拟好电缆区、户外场、地埋等区域,

将光纤光栅一端安装在监测系统上,另一端引出来测量电缆温度。取其中 P1～P4

四个点作为实验关键点,旁边安装标准的热电阻温度传感器,热电阻温度传感器的温

度值作为参考标准值。随着电缆温度持续性的变化,每隔 10 min记录两种传感器

的读数,如图7～图10所示。

由图可以看出,电缆在加电以后温度逐渐上升,在 32℃左右的时候保持稳定,并开始

小范围浮动,由电缆的温度场分析可知,此时电缆缆芯温度大约为 52℃。两组曲线的

温度测量偏差在 1℃以下,两者的跟随性较好,说明用光纤光栅温度传感器可以准确

地监测电缆当前的运行状态,存在偏差的原因可能是热电偶传感器存在测量误差,随

着光源波动等影响,光纤光栅传感器也可能会产生测量误差。

6 结 论

设计了一种基于光纤光栅在线监测电缆温度的系统。结合热传导方程和边界条件采

用了有限元法分析了电缆的温度场,用光纤光栅反射波长与温度具有良好线性关系

的特性,测量不同温度下对应的光栅反射波长变化即可得到电缆当前的温度状况,系

统能实现对多点进行温度实时测量。通过光纤光栅的温度特性实验,在 20～100℃

的温度范围内,FBG的中心波长随温度变化呈良好的线性,线性度达到 99.8%以上。

对标准的热电阻温度传感器与光纤光栅传感器进行了电缆测温实验对比,结果表明

两组测量时间 -温度变化曲线跟随性好,温度差均小于 1℃。

目前,我们找到了合作公司制备光电缆,在加工电缆时把光纤光栅预埋进去成为电缆

的一部分,这样可以直接监测电缆缆芯温度,更加精确地监测电缆运行状态。

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