分布式傳感器在電力電纜溫度系統中的應用

摘要：為了實(shí)時(shí)監測高壓電力電纜溫度狀態(tài)，針對其高壓、強磁場(chǎng)工作環(huán)境提出基于分布式光纖傳感器的高壓電力電纜溫度在線(xiàn)監測系統設計方案。該方案采用DSP的快速累加，并利用Stokes信號解調Anti-Stokes信號，極大提高信噪比。此外，還介紹該系統在電力電纜中的實(shí)例應用，闡述其在電力系統中的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：分布式光纖；OTDR；后向拉曼散射；溫度在線(xiàn)監測系統

隨著(zhù)光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，單晶光纖是目前高溫環(huán)境下最適用的光波導材料之一，其測量溫度最高2 000℃，溫度分辨率0．1℃，因而利用光纖傳感技術(shù)設計高壓電力電纜溫度在線(xiàn)監測系統具有精度高、堅硬而且彎曲靈活、體積小和抗電磁干擾強等特點(diǎn)。高壓電力電纜網(wǎng)是呈一定空間分布的場(chǎng)，為了獲得被測對象較完整的信息，采用基于拉曼分布式光纖傳感系統，該系統在空間狹小、強電磁場(chǎng)、易燃及易爆等惡劣環(huán)境中具有良好的應用價(jià)值。

1 系統構成原理
光纖的光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)是實(shí)現分布測量的基本依據。當窄帶光脈沖被注入光纖中時(shí)，通過(guò)測后向散射光強隨時(shí)間變化關(guān)系檢查光纖的連續性并測量其衰減。
激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀(guān)不均勻性，產(chǎn)生拉曼散射。拉曼散射是由光纖中非傳播的局域密度不均勻和成分不均勻所致，這種不均勻性是在拉纖階段，二氧化硅由熔融態(tài)轉變?yōu)槟虘B(tài)的過(guò)程中形成的。激光脈沖在光纖中所走過(guò)的路程為：2L=vt。其中，t為入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間；v為光在光纖中的傳播速度，v=c／n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率；L為光纖某處到光纖入射端的距離。
在t時(shí)刻測量距光纖入射端距離為L(cháng)處局域的后向拉曼散射光，OTDR為分布式測量提供可靠的理論依據。
本系統采用基于Raman后向散射的分布式光纖溫度傳感原理，采用雙通道雙波長(cháng)比較方法，即分別采集Anti-Stokes光和Stokes光，利用兩者強度的比值解調溫度信號。由于A(yíng)nti-Stokes光對溫度更靈敏，因此Anti-Stokes光作為信號通道，Stokes光作為比較通道，則兩者之間的強度比為

式中，λs，λas分別為Stokes和Anti-Stokes光波長(cháng)；h為普朗克常數；c為真空中的光速；k是玻耳茲曼常量；△γ為偏移波數：T為絕對溫度。
可見(jiàn)，在測溫系統中通過(guò)測定R(T)就可以確定沿光纖各測量點(diǎn)的溫度值。