光纤温度传感器在电力电缆监测中的应用

温 系统 监 测 到 的 电缆 表 皮 温度 数 据 发 给 主 站 ， 主
（ ｒ ｌ ｉ Ｓ ａｔ ｉｇ 效 应 。 当某 一频 率 的光 入 射 Ｂ ｉｏ ｎ ｃ ｔ ｒ ） ｌｕ ｅｎ
到 光纤 中时 ， 纤 中会产 生 １ 声 波场 ， 波 场与 光 个 光 声 波 场 相 互 作 用 使 散 射 光 相 对 于 入 射 光 产 生 频 移， 频移 的大小 与材 料 的声 速成 正 比 ， 布里 渊频 移
Ａ ｔ Ｓｏｅ 散 射 光 在光 纤 中的 传输 损 耗 ； Ｔ ， ｎｉ ｔ ｓ — ｋ Ｒ （ ）
尺 ） 别 为 与光纤 分 子 低 能级 和 高 能级 上 的布 （ 分 居 数有 关 的系数 ， 温度 的 函数 。 是
由式 （ ） 式 （ ） 知 ，ｔｋ ｓ Ａ ｔ Ｓｏ ｅ ２和 ３可 Ｓｏ ｅ 和 ｎｉ ｔ ｓ — ｋ
的变 化 量 ； 为 光 纤 热 膨 胀 系 数 ，一 般 为 ０５ ｘ ．５
统 中的使 用越 来越 多 ，实 时监 测 电力 电缆 的温 度 状态 ， 可及 时发 现故 障 隐患 。 电力 电缆在长 期运 行
中受 到 雨 雪 、 １ 、 ３照 电磁 感应 、 学腐 蚀 及 电荷 载 化
射 和布 里渊散 射 的光 纤传 感技 术的 温度 测量原 理 。针 对 电力电缆 温度监 测 的现状 ， 讨 了 ３ 探 类光 纤传 感器在 电力 电缆 监 测 中的应 用模 式 。在 对 ３类传 感 器在 电 力电缆 温度 监 测 时的特 点 、 能进行 比较 的基 础 上 ， 绍 了基 于布 里 渊传 感 的海底 电缆 在 线监 测案 例 。随 着智 能 电 性 介 网的发 展 ， 纤传 感 器 尤其 是基 于布 里 渊散 射 的传 感 器将在 电力 电缆监 测 中发挥 重要 作 用。 光
式 中 ， ｖ 为 布里 渊频 移变 化量 ； 旦为 布里 渊 强 Ａ
度 相 对 变 化 量 ； 、 、 刀、 如分 别 为 布 里 渊频 Ｃ Ｃ Ｃ Ｃ
移 及 强 度 的温 度 和 应 变 系数 ； 及 Ａ △ ｓ分 别 为光 另 外 ．可将 光纤 Ｂ ａｇ光栅 进 行 增 敏封 装 设 ｒｇ
料相 互作 用产 生 的一种 非 弹性 散射 。包 含 斯托 克
量转 换 为光特 性 变化 的传 感 器 。相对 于传 统 的传
感器 ， 纤传感 器 具有 体 积小 、 光 重量 轻 、 柔性 好 、 灵 敏 度 高 、 电磁 干 扰 、 腐 蚀 等 优点 ． 以工 作 在 抗 抗 可 高压 、 电流 及 恶劣 环境 中。 目前 ， 用 最多 的光 强 应
散 射光 都携 带 了温度 信 息 ，将 Ｓｏ ｅ 散射 光 作为 ｔｋ ｓ
参 考 光 ， 用两 者 的 比值 获取 光纤 的 温度 信息 ， 利 后
向散射 光 的传播 时间确 定 沿光 纤各 测 量点 的位置 信息。
１３ 布 里渊 传 感器 ．
调光 栅反 射信 号 ，从 而获 取沿 电缆方 向的温 度信
息 。对 于更 长距 离高 压传 输 电缆 的监 测 Байду номын сангаас需 要更
布里 渊分 布 式 光 纤 温 度 ／ 变 传 感 器 主 要 依 应
据 Ｏ Ｄ 原 理 以 及 光 纤 的 后 向 布 里 渊 散 射 ＴＲ
多 的光纤 光栅 并结 合 时分 复用 技 术 。还 可通 过组
网 的方式 ，在 利用 基 于光 纤光 栅 的 电缆 运行 参数 在线监 测 系统 监测 电缆温 度 时 ，可将 光纤 光栅 测
使 布里 渊频 移 和强度 发 生变 化 。 由式 （ ） ５ 可得 沿光 纤 分布 的 温度 和应 变 信 息 ，
依据 Ｏ Ｄ Ｔ Ｒ原理确定光纤上各测量 点的位置信 息 。
拉曼 温 度传 感 器具 有可 连 续测 量沿 光 纤温 度 分 布 的独 特 优点 。 因此 ， 可通 过获 取整条 电缆上 温
． ７． ５
式 中 ，０ 光 纤 始 端 的入 纤 光 强 ； Ｋ。 与 光 纤 ，为 Ｋ， 为
Ｓｏ ｅ ｔｋ ｓ和 Ａ ｔ Ｓｏ ｅ 散 射 面积 有 关 的 系数 ： 为 ｎｉ ｔｋ ｓ — Ｂ 后 向散射 系数 ； 分 别 为 Ｓｏ ｅ 和 Ａ ｔ Ｓｏ ｅ 口， ｔｋ ｓ ｎｉ ｔ ｓ — ｋ 散 射 光 频 率 ； 。 ，ｄ 别 为 人 射 光 、ｔｋ ｓ ｏ ， ｏ ｒ 分 Ｓｏ ｅ 和
２ 光 纤 传 感 器 的 应 用 模 式
２１ 光 纤光栅 温 度传 感器 的应 用模 式 ．
光纤 光栅 温 度传 感器 的功 能类似 于 点状 的电 信号 温度 传感 器 ， 而且 光 纤光 栅本 身 不带 电 ， 抗辐 射、 电磁 干 扰 能力 较 强 、 高 压 和腐 蚀 ． 合 应用 耐 适 在 电力 系统 强 电磁干 扰 的恶 劣环 境 中 ．其 主要应 用模 式有 以下 几种 。 １ 将 光纤 光栅 间接地 布置 在 电力 电缆表 面获 ） 取 电缆 的温度 信 息 。如在 电缆 上 固定 贴 有光 纤光 栅 的金属 板 ，电缆荷 载 变化 引起 的电缆 温度 变化 经金 属板 传人 光纤 光 栅 。再利 用 波分 复 用技 术解
华
（ ４ ）
式 中 ， 光 纤 纤 芯折 射 率 ； 为 光纤 中 的声 速 ， ｎ为
与光 纤材 料 的弹 性模 量 、光 纤密 度 及泊 松 比等 有 关； Ａ为前 向传 输 的光波 在 自由空间 的波 长 。 究 研 发现 ，布里 渊散 射光 的频移 和强 度 与光 纤所 受 温
计 ， 灵 敏度 提 高 为裸 光 纤光 栅 的 ３５倍 ， 量 精 热 ． 测 度 大 幅提高 ， 大温 差保持 在 ０５℃之 内［ 最 ． ４ ］ 。
２２ 拉 曼温 度传 感器 的应 用模 式 ．
纤 的 温度 和应 变变 化量 。 因此 ， 当光 纤 中的温 度 和 应 变 发生 变化 时 ， 导 致 以上 参量 发 生变 化 ， 而 会 从
第３ ３卷 第 ２ ３期 ３
．
电
力
系
统
通
信
Ｖ０ ．３ １３ Ｎｏ２３ ． ３ Ｍ ａ ． ０， ０１ ｒ１ ２ ２
５ ． ６
２１ ０ ２年 ３月 １ ｔ ０Ｅ
Ｔｅｅ ｏ ｌ ｃ ｍｍ ｕ ｃ ｔｏ ｓ ｏ Ｅｌ ｃｒｃ ｎｉａｉ ｎ ｆ ｒ ｅ ｔｉ Ｐｏ ｒ ｙｓｅ ｗｅ Ｓ ｔｍ
斯 （ｔｋ ｓ散 射 和反斯 托克 斯 （ ｎｉＳｏ ｅ ） 射 ２ Ｓｏ ｅ ） Ａ ｔ ｔｋ ｓ散 —
个分 量 。 当光 强为 ，， 率为 的光入 射 到光纤 中 ｎ频
时 。 在 光纤 区域 Ｚ 温 度 为 ７ 则 光 纤 入射 端 所 若 处 Ｔ ， 探 测 到 的后 向 Ｓｏ ｅ 散 射 光 强 ， 、 ｔ Ｓｏ ｅ 散 ｔｋ ｓ Ａｎｉ ｔｋ ｓ — 射 光强 分别 为［ ２ １ ：
关键词 ： 温度 ； 光纤 光栅 ； 曼传感 ； 里渊传 感 ； 拉 布 电力 电缆
中 图分 类 号 ： ＴＭ７ ４ ６ 文献 标 志 码 ： Ｂ 文章 编 号 ： ０ ５ ７ ４１ ２ １ ０ — ０ ６ ０ １ ０ — ６ （ ０ ２） ３ ０ ５ — ５
Ｏ 引言
随着我 国经济 不 断发 展 ．电力 电缆 在 电力 系
度 和应变 有关 ， 由应 变 和温 度变 化 引起 的布 里 渊
频移 和强 度 的变化 可表 示 为 ：
善曩 。 一 擎 豫。 ｒ 。
＿
ｆ ｌ 『］ｒ ＝ Ｃ ｖ
ｌ Ｊ
㈤
蕊
Ｆｇ １ ｉ． Ｔｅ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｉ ｒ ｇ ｓ ｓ ｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ａ ｕ ｅ ｍ ｎｔ ｉ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ ｏ ｎ
流量 等影 响 ，会 导致 电缆 的绝 缘老 化 或负 荷 的变 化 ， 而 引起 电缆 温度变 化 。 当 电缆某个 部位 绝 从 如 缘层 因老 化被 击穿 时 ， 点 的温度 会升 高 ， 该 监测 该
ｌ ～ ∈为光 纤光 栅 的热光 系数 ，常温 下约 为 ８３ ０； ．× １ ； 为温 度 的变化 量 ， Ａ 与 △ ０ △ △Ｂ 呈 线 性关 系 ， 其 比例 系数 约为 １ ｍ ￣ 。 ０ ｐ ／ 因此 ， 据光 纤光 栅波 Ｃ 根
长 变化 与温 度变 化之 间 的关 系 ，即可 获 取沿 光纤
点 电缆 的温度 信息 ， 获取 电缆运 行稳 定状 况ｌ 可 １ ］ 。
１ 光 纤传 感 器 原 理
光纤 传感 器 是一 种 以光信 号 为载 体 ，把 被测
分 布 的温度 信息 。
１２ 拉 曼传 感器 ．
拉 曼分 布式 光纤 温 度传 感器 主要 依 据光 时域 反射 （ ｐｉａ Ｔｍ ｏ ｉ ｅ ｅｔ ｔｒＯ Ｄ Ｏ ｔ ｌ ｉ ｅ Ｄ ｍａ Ｒ ｆ ｃｏ ｅ ， Ｔ Ｒ） ｃ ｎ ｌ ｍｅ 原理 及 光纤 的后 向拉 曼 散 射 （ ａ ｎ Ｓ ａｔ ｉｇ Ｒ ｍａ ｃｔ ｒ ） ｅｎ 效应 。光 纤 中的拉 曼散 射是 光 在传 播 时与 光纤 材
度 的分 布信 息来 实 现对 电缆性 能 的监测 。
・
５ ・ ８
电 力 孽 饶 通 信
郑 州 供 电局 将 基 于 拉 曼 散 射 和光 时 域 反 射 原 理 的 分布 式测 温 系 统 （ ｉ ｒ ｕｅ ｅ ｐ ｒｔｒ Ｄ ｓ ｉ ｔｄ Ｔ ｍ ｅａ ｅ ｔｂ ｕ
纤传 感 器有光 纤 光栅 温度 传 感器 、基 于 拉曼 散射 及 布里 渊散射 的分布式 光 纤传感 器 等 。
１１ 光 纤光栅 传 感器 ． 光 纤光 栅温 度传 感 器利 用其 布 拉格 波长 的 温 度 依 赖 性 测 温 。 当 宽 光 谱 光 经 过 光 纤 布 拉 格 （ ｒｇ ） 栅 时 ， 足 布 拉 格 条 件 的单 色 光 Ａ Ｂａｇ光 满 被 反 射 回输 入端 ， 与光 栅 的折 射 率 变化 周期 以 和 Ａ 纤芯 有效 折射 率 ｎ 有 关 。 当光纤 光栅 周 围的温 度
发 生 变化 时 ， 导致 Ａ 和 ｎ 变 化 ， 而 使 Ａ 将 从 变
化 △ Ａ ，在光 纤光 栅不 受应 变时 ， Ａ 与环 境温 度 △ 的关 系为 ： △ 口 Ａ 仅 考ＡＴ Ａ ／ 庐（ ＋ ） （） １ 式 中 ， 为光 栅反 射 回 的单 色 光波 长 ； Ａ Ａ △ 为波 长
光 纤 温 度传 感 器在 电缆 监 测 中的应 用 电力
王虎 ， 李永倩 ， 李欢 ， 何青 尔
（ 北 电力 大 学 电子 与 通 信 工 程 系 ， 北 保 定 ０ １０ ） 华 河 ７ ０ ３
摘要： 文章分析了电力电缆运行过撰 添度升高的原闻， 单介ｉ了基 光纤光栅 哮 简 绍 于 拉曼散
４
＝
Ｉ Ｂ ｘ ［ （ ＋ ）Ｒ （ ） ｏ ｖｅｐ一 。 Ｚ Ｔ ］
４
（） ２ （） ３
＝
１Ｋ ｏ
。
Ｂ ｅｐ一 ０ ｏ ２ （ ｖ ｘ ［ （ ＋ ｒ ） ）
・
研 发 应 用 ・ 王虎 等
光 纤 温 度 传 感 器在 电 力 电缆 监测 中 的应 用
为：
：
站采 用等 效热 路法 计 算 出缆 芯 的温度 ，从 而 判断 电缆 运行 温度 是否 超标 ， 如果 超标 则发 出报 警Ｉ １ １ 。 ２ 将 光 纤 光 栅测 温 系统 进 行 组 网 ， 测 电缆 ） 监 接头 处 的温度 。 电缆接 头一 般分 为 三相 ． 可在 每相 电缆 接头 处埋 入 １ 光纤 光栅 传感 器 ，测 量 电缆 个 接 头处 的温度 。 据光 纤光 栅测 温 系统 的原理 ， 根 江 苏 省 电力科 学研 究 院 开发 了基 于光 纤光 栅 的 电力 电缆 温度 在线 监测 系 统 。 １ ０ｋ 在 １ Ｖ云 南路 变 电站 得 到应 用［ ３ １ 。光纤光 栅 测温 系统 如 图 １ 所示 。