分布式光纤传感器及其在智能电网中的应用.docx

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1、分布式光纤传感器及其在智能电网中的应用分布式光纤传感系统将光纤的传输和传感功能融合在一起，同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，外界被测场以一定的空间分布方式对光纤中的光波进行调制，通过检测调制信号即可给出被测物理量沿光纤长度方向的连续分布值。与传统监测方法比较，分布式光纤传感器可以在易燃、易爆的环境下对上万个监测点同时测量，并可对每个测量点进行准确定位，可广泛应用于经济建设和军事建设的各个领域。在电力行业中，主要用于对电力电缆进行温度、应力的检测监控，事故点定位，电缆隧道、发电厂和变电站的检测及火灾报警，水库大坝的监测以及渗漏报警等。与光纤光栅传感器相比，分布式光纤传感器由于其能够连续

2、测量一整根光纤上的温度或压力信息并且传输距离远而在一些远距离连续测量的场合比点式光纤传感器更适用。目前，用于分布式光纤传感的光信号主要有后向拉曼散射光和后向布里渊散射光两种。其中基于瑞利散射和拉曼散射的分布式传感技术的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化，基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，因此这种技术在目前得到了广泛的关注与研究。采用分布式光纤传感器进行温度与应变的测量在国外已经得到广泛应用，在国内采用分布式光纤传感器对高压电力线在线测温、对建筑、堤坝、桥梁进行应变测量等也受到了广泛的关注。目前流行的

3、分布式光纤传感方式主要有三大类：（1）基于背向瑞利散射的光纤分布式传感技术，该技术通常使用光时域反射（OTDR）方法对测量目标定位。基本构成见图1. 5O在20世纪80年代初期，基于背向瑞利散射的传感技术得到了很大的发展，但目前对这方面的研究主要局限于光纤损耗和光纤断点检测方面。被测场图1.5 OTDR原理框图Fig.1. 5 Principle block diagram of OTDR（2）基于拉曼散射的光纤分布式传感技术，该技术利用拉曼散射中斯托克斯光和反斯托克斯光的强度之比是温度的函数，对被测物体进行温度测量。其基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术研究中较为成熟的一种，

4、目前该类传感器的一些产品已出现在国内外市场，其空间分辨率和温度分辨率已分别达到1 m和1,测量范围为48 kmo（3）基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，可以分为布里渊光时域反射技术（B0TDR）和布里渊光时域分析技术（B0TDA）和布里渊光频域分析技术（B0FDA） 0虽然起步较晚，但最近几年发展很快，与其他类型的分布式传感器相比，它的优势在于理论上可以实现长距离的传感，且其在温度、应变上的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，进而满足输油管道、输电电网等的长距离检测，所以对提高传感系统传感距离的研究具有重大意义。将一路脉冲激光（泵浦光）和一路连续激光（探测光）从被测线路的两端

5、分别注入，当两路激光的频差等于布里渊频移时，在布里渊放大效应的作用下，信号较弱的激光将会被信号强的激光放大。当被测光纤的某一段受到温度、应力的影响时，这部分光纤的布里渊频移将发生改变，通过检测输出端的光功率变化，即可实现分布式探测。BOTDA研究在国外已取得了突破性的进展，成功地将空间分辨率和温度测量精度提高了一个数量级，获得了 5cm的空间分辨率和0.35C的温度测量精度。分布式光纤传感器在电力系统中的应用主要有以下两个方面：1.在高压电缆温度和应变测量中的应用。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、工作频率宽、动态范围大等特点，它能够连续测量光纤沿线各点的温度及应力，特别适用于需要大范围多点

6、测量的应用场合。目前，国外（主要是英国、日本等）已利用激光喇曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品，而国内也在积极地开展这方面的研究工作，现已研制成功基于分布式光纤温度传感原理的一系列产品，可广泛应用在航空航天、石油测井、电力、冶金、煤矿等领域中。国内把分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的研究工作只是刚刚开始。联系到我国南方地区今年所遭受到的雪灾来考虑，如果能在高压电缆上并行地铺设传感光缆，对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力等参量进行实时测量，就能够做到及时排险，从而尽可能减少经济损失。可见，光纤传感器在电力系统将具有广泛的应用前景。基于OTDR和OFDR的分布式温度光纤传感器是

7、目前研究的热点，尤其是基于OTDR的布里渊分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。其系统组成如图1.6所示。1.55pmLDJLAOM -传动器光栅加热部分I 1图L6布里渊光时域散射测量系统Fig. 1. 6 Measurement system of Brillouin optical time domainin scatteringLD波长为1 550 nm,输出功率4mW,谱宽约1MHz。LD发出的光经AOM调制成宽度130500 ns、重复频率20 kH z的脉冲，再由EDFA进行放大,EDFA放大倍数在小信号时最高可达47 dBo由于EDFA有很强的ASE（Amplified Sp

8、ontaneousEm ission,自发辐射）；噪音，会对布里渊散射信号带来干扰，因此，放大后的脉冲信号经环形器后，经光纤光栅滤波反射，将大部分ASE噪音滤除后经环形器输出。由环形器输出的脉冲信号通过50 /50耦合进入传感光纤，光纤的背向瑞利散射与布里渊散射经耦合器输出后进入M- Z干涉仪。布里渊散射信号提取出来后，经PD检测，再由带宽100MHz、放大倍数30 dB的放大器进行放大，最后采用数字存储示波器显示布里渊散射时域信号的波形。对波形做进一步分析，得到所需传感信息。电缆光纤分布式测温技术的核心问题是提高测温精度，而温度测量的精度需要考虑入射光强度、系统噪声、喇曼散射系数、叠加次数与

9、温度分辨率等因素。另外，光纤的安装方式对温度测量的精度也有直接影响。光纤的安装方法通常有表贴式和内绞合式2种。以110 kV线路中使用的三芯电缆为例”，安装方式如图1. 7所示。Fig.1.7 Installation of fiber for testing temperature inllOkV three2core cable比较两种方法可知，安装在电缆内部的内绞合光纤能够对负载的变化做出更快的响应，而绑缚在电缆表面的表贴光纤由于受到电缆外界环境以及电缆本身绝缘屏蔽层的影响，几乎无法真实地跟踪负载的实时变化情况,仅能反应电缆周围环境的温度变化情况。因而，在理想情况下，光纤应被置于尽可能靠

10、近电缆缆芯的位置，以更精确地测量电缆的实际温度。对于直埋动力电缆来说，表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化，但是对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感，而且能够减少光纤的安装成本。2.在电力系统光缆监测中的应用。电力系统光缆种类繁多，加之我国地域广阔，各地环境差异很大，所以光缆的环境也很复杂，其中温度和应力是影响光缆性能的主要环境因素。因此，在监测光纤断点的同时也对光缆所处温度和应力情况进行监测，可见对光缆的故障预警及维护意义深远。目前，电力系统主要采用人工方式用光时域反射计(OTDR, Optical Time Domain Reflectometry)进行光纤的检测虽然有些光缆自动监测

11、系统已经被应用到电力部门，但也有采用了基于OTDR技术的测量方式。OTDR通过测量背向瑞利散射光得到沿光纤的衰减分布，对光缆衰减特性和断点的测量性能良好，但是由于瑞利散射光基本不受温度和应力等外界条件的影响，所以这种测量方式不能用于检测环境温度和应力对光纤性能的影响，其应用受到了一定的限制。而布里渊散射光的频移和强度与光纤所受应变、温度有关。通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，可得到光纤的温度和应变信息，且传感距离较远，所以有深远的工程研究价值。基于布里渊光时域反射(BOTDR, Brillou inOptica IT ime Doma inReflectometry)的分布式光

12、纤传感系统与在光纤测量中广泛应用的OTDR相似。采用相干检测技术的BOTDR传感系统原理如图5所示。图1. 5相干BOTDR传感系统原理Fig.1.5 Principle of BOTDR sensing system with coherentdetectionBOTDR光纤传感系统测量的是光纤的自发布里渊散射信号，其信号强度非常微弱，但可以采用相干检测技术提高系统信噪比。这种方案可单光源、单端工作，系统简单，实现方便，而且可同时监测光纤断点、损耗、温度和应变。目前已经报道了测量距离30 km以上、温度分辨率4 e、应变分辨率100 LE、空间分辨率20 m的温度和应变同时测量的系统，该系统在只测量温度时，测量距离可达150 kmvo随着技术的提高和新型信号处理技术的发展，这种方案的性能一定会有大幅度的提高。