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西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文电抗器温度场分布及光纤测温系统的研究摘要 电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备， 因其优越的电 气性能， 在电力输运中起着重要作用。电抗器在运行过程中，往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热，并最终导致电抗器的局部烧坏，甚至报废。 这给国家和企业带来较大的 经济损失。 因此， 采用理论模1g _j 计算电 抗器 温度场 分布及 选择合 适的测 温系统、 实时监测电 抗器内 部温度分布的研究， 具有重要的意义和重大的实用价值。 木文根据电力工业中电抗器常见的结构， 建立了用于分析并联干式空心电抗器的内部温度场分布的理论模型; 利用传热学原理和有限差分法理论推导出电抗器温度场的分布;并用a n s y s软件进行了计算机数值模拟，两种方法得到的结果相一致。根据电抗器内高压强磁场、 一般传感器系统无法进行直接测量的情况， 提出了利用分布式光纤温度传感系统嵌入电抗器，进行温度实时监控:当电抗器某处温度过高时，分布式光纤温度传 感器测量到该 信号后由 计算 机发出警报， 并自 动切断电源， 从而达到保护电 抗器的目的。 在理论推导电 抗器温度场分布方面，运用传热学原理和稳态热分布的有限差分法，首先 计算了考虑热 辐射情况下单包封表面的等效对流传热系数的分布及其表面的温度分 布; 接着讨 论了多包封电 抗器的温度分布， 根据对 环氧树脂型干式空心电 抗器结构的调研和实际考察，在提出的理论模型中，对各包封表面引入了等效对流传热系数和局部环境温度分布的假设，得到了电抗器的温度场分布。结果表明:轴向方向上，各包封温升最大处出现在高度为三分之二以上;径向方向 l ，温升 一 最大处出现在第二包封，并向两侧包封依次降低。与报道的电抗器温度测量的初步结果相比较，结合生产厂家及用户反馈的信息，理论计算结果是合理的，和文献报道一致。 在讨论考虑分布式光纤温度传感器嵌入电抗器设备中， 从原理上阐明了斯托克斯光和反斯托克斯光的 产生机理， 讨论了 温度信号 在光纤中的后向 传播、 在a p d 雪崩几极管)中的光电转换、在主放大器中的放大、在数据采集卡中的采集及其最后计算机的处理等方面的设计考虑，并给出了相关参数。关键词: 电 抗 器， 温 度 场分 布， 有 限 差 分 法 ， a n s y s软 件 ， 分 布式 光 纤 温 度 传感系统西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 i n v e s t i g a t i o n o n t h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n ar e a c t o r a n d de s i g n o f me a s u r e s y s t e m b y op t i c a l f i b e r s e n s o r s y s t e mab s t r a c t a r e a c t o r i s a k i n d o f ma j o r a c c e s s o r y d e v i c e a n d p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n l o n g d i s t a n c ee l e c t ri c a l p o w e r - t r a n s i m i t t e d s y s t e m. h o w e v e r t h e i n n e r t e m p e r a t u r e s o m e w h e r e i n s i d e t h er e a c t o r o f t e n r i s e s u n e x p e c t i v e l y d u e t o i t s s t r u c t u r e a n d r u n n i n g e n v i r o n m e n t s , e v e n r e s u l t s i nv i t a l d e s t r u c t i o n . s o i t i s i mp o r m e n t t o d e v e l o p t h e t h e o r e t i c a l m o d e l f o r c a l c u l a t i n g r e a c t o r st e m p e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n a n d d e s i g n a p p r o p r i a t e t e m p e r a t u r e - m e a s u r i n g s y s t e m f o rr e a c t o r s t e m p e r a u r e d i s t r i b u t i o n . b a s e d o n t h e d r y - t y p e a i r - c o r e r e a c t o r s s t r u c t u r e , t h e t e m p e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n w a sa n a l y z e d w i t h f i n i t e d i f f e r e n c e a n d s i m u l a t e d w i t h a n s y s s o f t w a r e 6 . 1 , a n d t h e r e s u l t s w e r ew e l l c o n s i s t e n t . s i n c e r e a c t o r s h i g h e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d ma k e s n o r m a l s e n s o r s i n v a l i d t om e a s u r e t h e i n n e r t e mp e r a t u r e d i s t ri b u t i o n , d i s t r i b u t e d o p t i c a l f i b e r s e n s o r s y s t e m ( d o f s s )i s e m p l o y e d . a s t h e t e m p e r a t u r e s o m e w h e r e i s t o o h i g h , t h e d o f s s c a n d e t e c t i t p r o m p t l ya n d g i v e a n a l a r m . u n d e r t h i s c i r c u m s t a n c e , t h e s y s t e m w i l l a u t o m a t i c a l l y s h u t o f f t h e p o w e rt o p r o t e c t t h e r e a c t o r . o n t h e b a s i s o f t h e t h e o r i e s o f h e a t t r a n s f e r a n d f i n i t e d i ff e r e n c e , r e a c t o r s t e mp e r a t u r ef i e l d d i s t r i b u t i o n w a s d e d u c e d . f i r s t l y , t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e r e a c t o r c o n s i s t i n g o fs i n g l e l a y e r w a s c a l c u l a t e d w i t h a s s u m i n g w i t h o u t r a d i a t i o n . s e c o n d l y , o n t h e a s s u mp t i o n o fe v e r y l a y e r s u r f a c e e q u i v a l e n t c o n v e c t i o n c o e f f i c i e n t a n d e n v i r o n me n t a l t e m p e r a t u r e e x p r e s s i o n , t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s o f m u l t i - l a y e r s w e r e c a l c u l a t e d . t h e r e s u l t s a r e i nc o n s i s t e n c e w i t h r e p o r t s t o d i s c u s s t h e w o r k i n g m e c h a n i s m o f d o f s s , t h e p r i n c i p l e o f t h e s t o k e s a n d a n t i - s t o k e sl i g h t , t h e b a c k t r a n s m i t t i n g o f s c a t t e r i n g l i g h t i n o p t i c a l f i b e r , o p t o e l e c t r i c t r a n s i t i o n i na v a l a n c h e p h o t o d i o d e ( a p d ) , e l e c t r i c a m p l i f i c a t i o n i n m a i n m a g n i f i e r s , d a t a g a t h e r i n g w i t hd a t a c o l l e c t i o n c a r d a n d i t s d i s p o s a l w i t h c o m p u t e r a r e i n t r o d u c e d a n d s t u d i e d .k e y w o r d s : d r y - t y p e a i r - c o r e r e a c t o r , t e m p e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n , f i n i t e d i f f e r e n c e ,a ns ys s o f t wa r e , d of s s西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文第 i 章绪论电抗器问题概述1 . 1 . 1电 抗器的作用及经常出现的问 题 电抗 器是远距离输电系统的主要辅助设备之一， 用于补偿电力系统的 无功容 量， 降低动态电压。电力电容器与电抗器串联后，能有效地抑制网路中的高次谐波，同时限制电力电容器的合闸电 流和操作过电 压， 对电力电容器的安全运行， 改善系 统的电压波形，对电网的质量及安全、经济运行起了良 好作用。 现在常用的电抗器是干式空心电 抗器， 由油 浸式铁心电 抗器发展而来。 干式空心电抗 器种类繁多，按用途分为川 并联电 抗器、串联电抗器、限流电 抗器、 滤波电 抗器、平波电抗器、双分裂电抗器、线路平衡电抗器和中性点接地电抗器等。其工作原理大致相似，结构 相差无几， 本论文中我们以并 联干式电抗器为例来介绍。 电抗器在研制生产中，由于线圈内部采用聚脂引拔棒作为轴向散热气道。且电抗器在温升计算时，考虑了热点的最高温度， 并留有相当的 裕度， 因此，一般来说。 电抗器在正常运行中具有较好的散热性能 从 而保证了电抗器的长期安全运行。 但是，电 抗器在运行过程中， 往往会因为 线圈导线 含有杂质， 或运行过程中包封的环 氧树脂的无纬玻璃丝带的绝缘不好等原因， 会使电 抗器在运行过程中 会产生局部温升过高、过 热， 最终导致电 抗器的烧坏、 报 废。这 不仅影响了电网的正常工作， 且每台电抗器价值数十万至近百万元不等，给国家和企业造成较大的损失。而且在电力行业如变压器等输变电设备也存在这些问题，应该说这是电力行业急需解决的紧迫问题。1 . 1 . 2常用的研究电抗器温度场的方法 通过研究发现， 电抗器经常烧坏的地方， 也正是电 抗器正常工作时温度相对较高的地方。了解电抗器内部温度场的分布，对于电抗器的正常运行、故障预防等具有重大意义。 我们根据其温度场的分布， 可以 对电 抗器的 结构重新进行合理设计及重新计算通过各支路的电 流， 使电抗器成为一安全可靠的电力 设备器 件， 从而从根本上解决电 抗器的过 早烧坏问 题。 对于电抗器温度场的测量问 题， 由于电 抗器属于高电压交变强磁场的电力 装置， 正常工作时， 为了 安全， 人不能靠近。 所以一般的温度测量装置无法进行电抗器内部温度的测量。即使是可以进行非接触测量的红外线测量仪，也只能测量电抗器的表面 温度， 而无法探测其内 部的温度。 工业上普遍采用的一种测量电抗器温度的 方法，是平均温升法= , 。该方法主要是利用电 抗器断电 后的绕组阻抗随时间的变化曲 线， 再外推求出 断电 瞬间的电 阻值， 然后利用平均温升计算公式进行计算。可以看出，该方法也只能测最电抗器的平均温升，而电抗器内部各点温升是不同的，温差可达 2 0 -a o 0 c o西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文第 i 章绪论电抗器问题概述1 . 1 . 1电 抗器的作用及经常出现的问 题 电抗 器是远距离输电系统的主要辅助设备之一， 用于补偿电力系统的 无功容 量， 降低动态电压。电力电容器与电抗器串联后，能有效地抑制网路中的高次谐波，同时限制电力电容器的合闸电 流和操作过电 压， 对电力电容器的安全运行， 改善系 统的电压波形，对电网的质量及安全、经济运行起了良 好作用。 现在常用的电抗器是干式空心电 抗器， 由油 浸式铁心电 抗器发展而来。 干式空心电抗 器种类繁多，按用途分为川 并联电 抗器、串联电抗器、限流电 抗器、 滤波电 抗器、平波电抗器、双分裂电抗器、线路平衡电抗器和中性点接地电抗器等。其工作原理大致相似，结构 相差无几， 本论文中我们以并 联干式电抗器为例来介绍。 电抗器在研制生产中，由于线圈内部采用聚脂引拔棒作为轴向散热气道。且电抗器在温升计算时，考虑了热点的最高温度， 并留有相当的 裕度， 因此，一般来说。 电抗器在正常运行中具有较好的散热性能 从 而保证了电抗器的长期安全运行。 但是，电 抗器在运行过程中， 往往会因为 线圈导线 含有杂质， 或运行过程中包封的环 氧树脂的无纬玻璃丝带的绝缘不好等原因， 会使电 抗器在运行过程中 会产生局部温升过高、过 热， 最终导致电 抗器的烧坏、 报 废。这 不仅影响了电网的正常工作， 且每台电抗器价值数十万至近百万元不等，给国家和企业造成较大的损失。而且在电力行业如变压器等输变电设备也存在这些问题，应该说这是电力行业急需解决的紧迫问题。1 . 1 . 2常用的研究电抗器温度场的方法 通过研究发现， 电抗器经常烧坏的地方， 也正是电 抗器正常工作时温度相对较高的地方。了解电抗器内部温度场的分布，对于电抗器的正常运行、故障预防等具有重大意义。 我们根据其温度场的分布， 可以 对电 抗器的 结构重新进行合理设计及重新计算通过各支路的电 流， 使电抗器成为一安全可靠的电力 设备器 件， 从而从根本上解决电 抗器的过 早烧坏问 题。 对于电抗器温度场的测量问 题， 由于电 抗器属于高电压交变强磁场的电力 装置， 正常工作时， 为了 安全， 人不能靠近。 所以一般的温度测量装置无法进行电抗器内部温度的测量。即使是可以进行非接触测量的红外线测量仪，也只能测量电抗器的表面 温度， 而无法探测其内 部的温度。 工业上普遍采用的一种测量电抗器温度的 方法，是平均温升法= , 。该方法主要是利用电 抗器断电 后的绕组阻抗随时间的变化曲 线， 再外推求出 断电 瞬间的电 阻值， 然后利用平均温升计算公式进行计算。可以看出，该方法也只能测最电抗器的平均温升，而电抗器内部各点温升是不同的，温差可达 2 0 -a o 0 c o三第 1 章绪论 正因为电抗器内部温度的不可知性， 因此进行电抗器温度场的理论计算就显得很有必要。关于电抗器温度场的理论计算，由于稳态热平衡时其包封散热为热传导，其边界条件是第三类边界条件，即对流边界条件。而包封周围的空气吸热后作自然对流运动。包封之间的空气，则是作有限空间内的自 然对流运动。而 巨，包封表面的热流密度、对流传热系数及周围空气的温度均未 知， 要准确计算电 抗器温度场分 布将会使表达式非常复 杂， 以至于不可能计算出来口 前人在计算 温度场时， 均对电 抗器作了较大的简化， 并根据自己的经验， 假设出包封表面的热流密度、 对流传热系数及周围空气的温度表达式，然后计算出电 抗器的 温度场分布。比 如文 献【3 中， 作者就先假设电 抗器高为无线长 的导体，然后用有限元的方法，在假设出包封表面的对流传热系数的基础上，给出了电抗器的 温 度分 布 : 文 献 闭 在 假设 不 考 虑 撑 条 影响 的 条 件 下， 以a n s y s 和 有限 元为 工 具， 建 立了空 心阻 尼电抗器磁场、电 路、 流场和温度场祸合计算的有限 元模型， 将磁场一电 路计算得到的 焦耳热作为流场和温度场计算中的热源， 求出了空心阻尼电 抗器的温度场分布.还有一些厂家在 传统上是采用经验公式计算电 抗器的平均温升【创 等等。这些计算方法各自 的局限性，因而准确度不高。1 . 2 分布式光纤温度传感器1 . 2 . 1 光纤传感器 光纤传感技术是一种新型传感技 术， 它是利用光波在光纤中 传播时 表征光 波的特征参量 ( 振幅、 相位、偏振态、 波长等) 因 外界因 素 如温度、 压力、 磁场、 电场、 位移、转动)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量的技术。 光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类。 利用外界物理因素改变光纤中光的强度 ( 振幅) 、相位、偏振态或波长 ( 频率) ，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传 感型 ( 或功能型) 光纤传感器。 它具有传感合一的特点， 信息的获取和传输都在光纤之中。 传光型光纤传感器是指利用其它敏感元件测得的物理量， 由 光纤进行数据传输。它的 特点是充分利用现有的传感器， 便于推广应用。 这两 类传感器都可再 分为 光强调制、相位调制、 偏振态调制以 及波长调制等几种型式洲 。 光纤传感技术自从七十年代一出现， 就在世界范围内得到迅猛发展。 光纤传感技术具 有光学敏感测量 和光纤传输的许多 优点， 诸如， 灵敏度高、 无辐射干扰、电 绝缘和抗电磁干扰性好、 化学稳定性好、 安全防爆以及重量轻、 体积小、可挠曲、 便于复用成网、易 于实现远距离多 通道的遥测与控制等。 现在许多种类型的 光纤 传感器都己 商业化并在生 活、生产等各个领域中得到大量应用。1 . 2 . 2 分布式光纤温度传感器 分布式光纤温度传感技术是在 2 0世纪 7 0 年代末提出来的， 它是随着现代光纤上程中应用十分广泛的 光时域反射技术 ( o p t i c a l a l t i m e d o m a i n r e fl e c t i o n 即o t d r ) 的出现而三第 1 章绪论 正因为电抗器内部温度的不可知性， 因此进行电抗器温度场的理论计算就显得很有必要。关于电抗器温度场的理论计算，由于稳态热平衡时其包封散热为热传导，其边界条件是第三类边界条件，即对流边界条件。而包封周围的空气吸热后作自然对流运动。包封之间的空气，则是作有限空间内的自 然对流运动。而 巨，包封表面的热流密度、对流传热系数及周围空气的温度均未 知， 要准确计算电 抗器温度场分 布将会使表达式非常复 杂， 以至于不可能计算出来口 前人在计算 温度场时， 均对电 抗器作了较大的简化， 并根据自己的经验， 假设出包封表面的热流密度、 对流传热系数及周围空气的温度表达式，然后计算出电 抗器的 温度场分布。比 如文 献【3 中， 作者就先假设电 抗器高为无线长 的导体，然后用有限元的方法，在假设出包封表面的对流传热系数的基础上，给出了电抗器的 温 度分 布 : 文 献 闭 在 假设 不 考 虑 撑 条 影响 的 条 件 下， 以a n s y s 和 有限 元为 工 具， 建 立了空 心阻 尼电抗器磁场、电 路、 流场和温度场祸合计算的有限 元模型， 将磁场一电 路计算得到的 焦耳热作为流场和温度场计算中的热源， 求出了空心阻尼电 抗器的温度场分布.还有一些厂家在 传统上是采用经验公式计算电 抗器的平均温升【创 等等。这些计算方法各自 的局限性，因而准确度不高。1 . 2 分布式光纤温度传感器1 . 2 . 1 光纤传感器 光纤传感技术是一种新型传感技 术， 它是利用光波在光纤中 传播时 表征光 波的特征参量 ( 振幅、 相位、偏振态、 波长等) 因 外界因 素 如温度、 压力、 磁场、 电场、 位移、转动)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量的技术。 光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类。 利用外界物理因素改变光纤中光的强度 ( 振幅) 、相位、偏振态或波长 ( 频率) ，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传 感型 ( 或功能型) 光纤传感器。 它具有传感合一的特点， 信息的获取和传输都在光纤之中。 传光型光纤传感器是指利用其它敏感元件测得的物理量， 由 光纤进行数据传输。它的 特点是充分利用现有的传感器， 便于推广应用。 这两 类传感器都可再 分为 光强调制、相位调制、 偏振态调制以 及波长调制等几种型式洲 。 光纤传感技术自从七十年代一出现， 就在世界范围内得到迅猛发展。 光纤传感技术具 有光学敏感测量 和光纤传输的许多 优点， 诸如， 灵敏度高、 无辐射干扰、电 绝缘和抗电磁干扰性好、 化学稳定性好、 安全防爆以及重量轻、 体积小、可挠曲、 便于复用成网、易 于实现远距离多 通道的遥测与控制等。 现在许多种类型的 光纤 传感器都己 商业化并在生 活、生产等各个领域中得到大量应用。1 . 2 . 2 分布式光纤温度传感器 分布式光纤温度传感技术是在 2 0世纪 7 0 年代末提出来的， 它是随着现代光纤上程中应用十分广泛的 光时域反射技术 ( o p t i c a l a l t i m e d o m a i n r e fl e c t i o n 即o t d r ) 的出现而三第 1 章绪论 正因为电抗器内部温度的不可知性， 因此进行电抗器温度场的理论计算就显得很有必要。关于电抗器温度场的理论计算，由于稳态热平衡时其包封散热为热传导，其边界条件是第三类边界条件，即对流边界条件。而包封周围的空气吸热后作自然对流运动。包封之间的空气，则是作有限空间内的自 然对流运动。而 巨，包封表面的热流密度、对流传热系数及周围空气的温度均未 知， 要准确计算电 抗器温度场分 布将会使表达式非常复 杂， 以至于不可能计算出来口 前人在计算 温度场时， 均对电 抗器作了较大的简化， 并根据自己的经验， 假设出包封表面的热流密度、 对流传热系数及周围空气的温度表达式，然后计算出电 抗器的 温度场分布。比 如文 献【3 中， 作者就先假设电 抗器高为无线长 的导体，然后用有限元的方法，在假设出包封表面的对流传热系数的基础上，给出了电抗器的 温 度分 布 : 文 献 闭 在 假设 不 考 虑 撑 条 影响 的 条 件 下， 以a n s y s 和 有限 元为 工 具， 建 立了空 心阻 尼电抗器磁场、电 路、 流场和温度场祸合计算的有限 元模型， 将磁场一电 路计算得到的 焦耳热作为流场和温度场计算中的热源， 求出了空心阻尼电 抗器的温度场分布.还有一些厂家在 传统上是采用经验公式计算电 抗器的平均温升【创 等等。这些计算方法各自 的局限性，因而准确度不高。1 . 2 分布式光纤温度传感器1 . 2 . 1 光纤传感器 光纤传感技术是一种新型传感技 术， 它是利用光波在光纤中 传播时 表征光 波的特征参量 ( 振幅、 相位、偏振态、 波长等) 因 外界因 素 如温度、 压力、 磁场、 电场、 位移、转动)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量的技术。 光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类。 利用外界物理因素改变光纤中光的强度 ( 振幅) 、相位、偏振态或波长 ( 频率) ，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传 感型 ( 或功能型) 光纤传感器。 它具有传感合一的特点， 信息的获取和传输都在光纤之中。 传光型光纤传感器是指利用其它敏感元件测得的物理量， 由 光纤进行数据传输。它的 特点是充分利用现有的传感器， 便于推广应用。 这两 类传感器都可再 分为 光强调制、相位调制、 偏振态调制以 及波长调制等几种型式洲 。 光纤传感技术自从七十年代一出现， 就在世界范围内得到迅猛发展。 光纤传感技术具 有光学敏感测量 和光纤传输的许多 优点， 诸如， 灵敏度高、 无辐射干扰、电 绝缘和抗电磁干扰性好、 化学稳定性好、 安全防爆以及重量轻、 体积小、可挠曲、 便于复用成网、易 于实现远距离多 通道的遥测与控制等。 现在许多种类型的 光纤 传感器都己 商业化并在生 活、生产等各个领域中得到大量应用。1 . 2 . 2 分布式光纤温度传感器 分布式光纤温度传感技术是在 2 0世纪 7 0 年代末提出来的， 它是随着现代光纤上程中应用十分广泛的 光时域反射技术 ( o p t i c a l a l t i m e d o m a i n r e fl e c t i o n 即o t d r ) 的出现而西 北 工 业大 学硕 士学 位 论 文发展起来的。 分 布式光纤传感技术是运用光纤的一维特性进行测量的技术， 它把被测量作为光纤位置 长 度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的 测量， 为工业和研究领域提供了同 时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息的手段。 分布式传感器是光纤传感器中 最具 潜力的发展方向之一。 几乎所有的物理参量都可以应用分布式光纤传感技术进行测量。分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展。依据信号的性质，该类温度传感技术可分为4 类川 : a 、 后向 瑞利 ( r a y l e i g h )散射的 传感技术; b 、 用喇曼( r a m a n ) 效应的传感技术; c 、利用布里渊效应的传感技术: d 、利用前向传输模祸合的传感技术;下边分别进行简单的介绍。i )利用后向瑞利散射的分布式光纤温度传感技术 瑞利散射是入射光与光纤介质中的 微观粒子发生弹性碰撞所引起的， 散射光的频率与入射光的频率相同。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射(o t d r ) 结 构 来 实 现 被 测量 的 空 间定 位。 具 体 光路 如 图 1 .1 。 据文 献 81报 道， 使 用 改 进 后的后向瑞利散射的分布式光纤温度传感器， 在 2 0 米长的光纤上实现了 1 0厘米的空间分辨率， 温度测量范围为0 -1 5 0 度， 误差为15度; 而且， 其最高空间分辨率可达2厘米，是所有分布式光纤传感器中精度最高的。 基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在 8 0年代初期得到了较快的发展。然而，由于该技术的致命缺点是可测量的传感距离太短，最多只能有一二百米的长度，这就限制了它在长距离测温区域的使用。 脉 冲 激 光 器 传感光纤图1 . 1基于瑞利后向散射的光纤传感光路2 ) 利用喇曼效应的分布式光纤温度传感技术 当一定能量和宽度的脉冲激光通过光纤时， 光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞， 发 生 喇 曼 散 射， 波 长大 于 入 射 光的 为s to k e s 光， 波长 小于 入 射 光 为a n ti -s to k e s 光 。s t o k e s 光与 a n t i - s t o k e s 光的强度比是温度的单值函数， 根据其强度比就可以得出温度的大小分布。将散射回来的光波经波分复用、光电转换后， 送入信号处理系统便可将温度生第 1章绪论信号实时显示出来， 并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间可对这些信息进行定位1 9 1 。 其具体光路如图 1 . 2 0 基于后向喇曼散射的分布式光纤温度传感器在国外己经实现实用化， 并投入大规模使用，而我国尚未完成实用化。目前，分布式光纤温度传感器的最高空间分辨率可达0 . 1 m,温度分辨率最高可达 0 . 1 0c，时间分辨率最高为 1 2 s 。 但是，由于这三项指标相互联系，故不大可能同时达到。 l d 激 光 器卜 一 一 叫a合器阵一 目 传 感 光 纤波分 复用器下数据处理系统 计算机 图 1 . 2利用喇曼效应的分布式光纤温度传感光路 基于喇曼散射的分布式光纤传感技术是所有分布式光纤传感技术中最成熟的，也是唯一商业化的技术。3 ) 利用布里渊效应的分布式光纤温度传感技术 布里渊散 射的分 布式温度传感器是目 前在实验上取得最成功的长 距离分布式光纤传感系统，它一般采用 p u m p - p r o b e结构， 称为布里渊光学时 域分析( b o t d a ) ，如图 1 . 3所示。它的工作 机理是: 脉冲激光器( 光频率为 v , ) 发出的 泵浦激光( p u m p ) 从传感光纤的一端入纤， 连续激光器( 光频率为v 2 ) 发出的探测激光( p r o b e ) 从传感光纤的另一端入纤，由 于两者在传感光行中 产生受激布里渊散射， 探测激光受到放大 或衰减 ( v , v : 为放大，v i v : 为衰减 ) ， 若它们之间的差频正好等于布里渊频移v b ，则 放大 或衰 减的 幅度最大分光器图 1 .3基于布里渊散射的光纤传感光路西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文因而若 在一定范围内 连续变化v ; 或 v 2 ， 传感光纤各处的 布里渊频移v b 就能得到。 根据频移随 温度变化的性质， 从而得出温度的信息 t o 目 前所公布的这类实验系 统的 性能 指标己 达到 传感距离 n u 超过 5 0 k m , 温度分辨率 1 0c ， 和空间分辨率为5 m ( 己 几乎是极限 值了 ) b o t d a除了 具有p u m p - p ro b e 结 构 的 优 点 外， 还 有以 下 几 个 优点 :( 1 ) 布 里 渊 散 射光信号比 较强，约比 喇曼散射大 l o d b ; ( 2 ) 使用单模光纤，光波长 处在 1 . 3 p m ，因 此受到的 衰减和色散较小。 这些优点使得b o t d a适合于长 距离分布式传感: ( 3 ) 使用毫瓦量级的输入功率实现很 长 跨度( 约百公里) 的分布测量。 在具有显著优点的同时又有显著的缺点，其缺点是:( 1 )布里渊散射同时对温度和压力敏 感，以 及存在偏振相关衰弱效应，限制了b o t d a的实用化;( 2 ) 布里渊散射的弛豫时间较 长，限制了 b o t d a的空间分辨率的提高。 其极限空间分辨率有限( 最大约5米，这是由其散射机制决定的，更确切地讲是由于散射声子的寿命极短约 l o n s 所致) ; ( 3 )该系统在制造和使用上既复杂又昂贵。例如，由于b r il l o u i n 频移很小，只有 1 0 -2 0 g h z由于小的声速 v = 1 x1 0 5 m/s ) 且其线宽很窄( 约 5 0 mh z ) ， 这就要求激光器要有极高的 频率稳 定性和极窄的( 约千赫) 可调线宽，且 对光滤波器也有极高的要求。再者，光的 偏振对系统的性能有极大的影响， 必须采取 偏振的调谐和控制措施， 这些在实际使用上都是很复杂的 川 。空间分辨率过低使传感器无法精确测量电 抗器内部 某一点的 温度，因此，把基于布里渊效应的分布式光纤传感器用于电抗器儿乎是不可能的。4 ) 利用前向传输 模祸合的分布式光纤温度传感技术 这种基于 模式祸合的 分布式光纤传感技术在理论上可以 获得极高的空间分辨率， 但是实际上实现时存在较大的难度，技术上也远未成熟。1 . 3 本论文的主要工作1 . 3 . 1电抗器引入分布式光纤温度传感器的必要性 对电 抗器在线温度的 测量不能采用常规的电 传感温度测量系统， 而红外光学测温系统只能用于物体表面的温度测量，对采用多 层并联结 构的电 抗器内部 温度 场无法进行。光纤温度传感器因其极好的抗 电磁干扰性而被厂 泛应用于有电磁场影响的测温场合。 但是，电抗器在运行中的局部温升点具有随机性、事先不可知性，因此，采用单点光纤温度传感器是不合适的，本论文拟引入分布式光纤温度传感器解决此问题 。 分布式光纤温度传感器除具有一般光纤温度传感器的所有优点外， 还可以实现传感光纤沿线的连续温度测量。自 从其一面世， 就一举解决了 许多重大应用场合下其他类型传感器难以 胜任的测量任务。如对许多大型设备或物体 ( 如发电机组、智能大厦等)进行实时多点监测。这样既大大地降低了单点检测成本， 又消除了检测盲区， 因此具有 良好的实际应1 1 1 1,111 景。1 . 3 . 2本论文的主要工作 本论文计划首先通过电抗器温度场分布的数值模拟， 从理论上找出电抗器在正常运西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文因而若 在一定范围内 连续变化v ; 或 v 2 ， 传感光纤各处的 布里渊频移v b 就能得到。 根据频移随 温度变化的性质， 从而得出温度的信息 t o 目 前所公布的这类实验系 统的 性能 指标己 达到 传感距离 n u 超过 5 0 k m , 温度分辨率 1 0c ， 和空间分辨率为5 m ( 己 几乎是极限 值了 ) b o t d a除了 具有p u m p - p ro b e 结 构 的 优 点 外， 还 有以 下 几 个 优点 :( 1 ) 布 里 渊 散 射光信号比 较强，约比 喇曼散射大 l o d b ; ( 2 ) 使用单模光纤，光波长 处在 1 . 3 p m ，因 此受到的 衰减和色散较小。 这些优点使得b o t d a适合于长 距离分布式传感: ( 3 ) 使用毫瓦量级的输入功率实现很 长 跨度( 约百公里) 的分布测量。 在具有显著优点的同时又有显著的缺点，其缺点是:( 1 )布里渊散射同时对温度和压力敏 感，以 及存在偏振相关衰弱效应，限制了b o t d a的实用化;( 2 ) 布里渊散射的弛豫时间较 长，限制了 b o t d a的空间分辨率的提高。 其极限空间分辨率有限( 最大约5米，这是由其散射机制决定的，更确切地讲是由于散射声子的寿命极短约 l o n s 所致) ; ( 3 )该系统在制造和使用上既复杂又昂贵。例如，由于b r il l o u i n 频移很小，只有 1 0 -2 0 g h z由于小的声速 v = 1 x1 0 5 m/s ) 且其线宽很窄( 约 5 0 mh z ) ， 这就要求激光器要有极高的 频率稳 定性和极窄的( 约千赫) 可调线宽，且 对光滤波器也有极高的要求。再者，光的 偏振对系统的性能有极大的影响， 必须采取 偏振的调谐和控制措施， 这些在实际使用上都是很复杂的 川 。空间分辨率过低使传感器无法精确测量电 抗器内部 某一点的 温度，因此，把基于布里渊效应的分布式光纤传感器用于电抗器儿乎是不可能的。4 ) 利用前向传输 模祸合的分布式光纤温度传感技术 这种基于 模式祸合的 分布式光纤传感技术在理论上可以 获得极高的空间分辨率， 但是实际上实现时存在较大的难度，技术上也远未成熟。1 . 3 本论文的主要工作1 . 3 . 1电抗器引入分布式光纤温度传感器的必要性 对电 抗器在线温度的 测量不能采用常规的电 传感温度测量系统， 而红外光学测温系统只能用于物体表面的温度测量，对采用多 层并联结 构的电 抗器内部 温度 场无法进行。光纤温度传感器因其极好的抗 电磁干扰性而被厂 泛应用于有电磁场影响的测温场合。 但是，电抗器在运行中的局部温升点具有随机性、事先不可知性，因此，采用单点光纤温度传感器是不合适的，本论文拟引入分布式光纤温度传感器解决此问题 。 分布式光纤温度传感器除具有一般光纤温度传感器的所有优点外， 还可以实现传感光纤沿线的连续温度测量。自 从其一面世， 就一举解决了 许多重大应用场合下其他类型传感器难以 胜任的测量任务。如对许多大型设备或物体 ( 如发电机组、智能大厦等)进行实时多点监测。这样既大大地降低了单点检测成本， 又消除了检测盲区， 因此具有 良好的实际应1 1 1 1,111 景。1 . 3 . 2本论文的主要工作 本论文计划首先通过电抗器温度场分布的数值模拟， 从理论上找出电抗器在正常运西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文因而若 在一定范围内 连续变化v ; 或 v 2 ， 传感光纤各处的 布里渊频移v b 就能得到。 根据频移随 温度变化的性质， 从而得出温度的信息 t o 目 前所公布的这类实验系 统的 性能 指标己 达到 传感距离 n u 超过 5 0 k m , 温度分辨率 1 0c ， 和空间分辨率为5 m ( 己 几乎是极限 值了 ) b o t d a除了 具有p u m p - p ro b e 结 构 的 优 点 外， 还 有以 下 几 个 优点 :( 1 ) 布 里 渊 散 射光信号比 较强，约比 喇曼散射大 l o d b ; ( 2 ) 使用单模光纤，光波长 处在 1 . 3 p m ，因 此受到的 衰减和色散较小。 这些优点使得b o t d a适合于长 距离分布式传感: ( 3 ) 使用毫瓦量级的输入功率实现很 长 跨度( 约百公里) 的分布测量。 在具有显著优点的同时又有显著的缺点，其缺点是:( 1 )布里渊散射同时对温度和压力敏 感，以 及存在偏振相关衰弱效应，限制了b o t d a的实用化;( 2 ) 布里渊散射的弛豫时间较 长，限制了 b o t d a的空间分辨率的提高。 其极限空间分辨率有限( 最大约5米，这是由其散射机制决定的，更确切地讲是由于散射声子的寿命极短约 l o n s 所致) ; ( 3 )该系统在制造和使用上既复杂又昂贵。例如，由于b r il l o u i n 频移很小，只有 1 0 -2 0 g h z由于小的声速 v = 1 x1 0 5 m/s ) 且其线宽很窄( 约 5 0 mh z ) ， 这就要求激光器要有极高的 频率稳 定性和极窄的( 约千赫) 可调线宽，且 对光滤波器也有极高的要求。再者，光的 偏振对系统的性能有极大的影响， 必须采取 偏振的调谐和控制措施， 这些在实际使用上都是很复杂的 川 。空间分辨率过低使传感器无法精确测量电 抗器内部 某一点的 温度，因此，把基于布里渊效应的分布式光纤传感器用于电抗器儿乎是不可能的。4 ) 利用前向传输 模祸合的分布式光纤温度传感技术 这种基于 模式祸合的 分布式光纤传感技术在理论上可以 获得极高的空间分辨率， 但是实际上实现时存在较大的难度，技术上也远未成熟。1 . 3 本论文的主要工作1 . 3 . 1电抗器引入分布式光纤温度传感器的必要性 对电 抗器在线温度的 测量不能采用常规的电 传感温度测量系统， 而红外光学测温系统只能用于物体表面的温度测量，对采用多 层并联结 构的电 抗器内部 温度 场无法进行。光纤温度传感器因其极好的抗 电磁干扰性而被厂 泛应用于有电磁场影响的测温场合。 但是，电抗器在运行中的局部温升点具有随机性、事先不可知性，因此，采用单点光纤温度传感器是不合适的，本论文拟引入分布式光纤温度传感器解决此问题 。 分布式光纤温度传感器除具有一般光纤温度传感器的所有优点外， 还可以实现传感光纤沿线的连续温度测量。自 从其一面世， 就一举解决了 许多重大应用场合下其他类型传感器难以 胜任的测量任务。如对许多大型设备或物体 ( 如发电机组、智能大厦等)进行实时多点监测。这样既大大地降低了单点检测成本， 又消除了检测盲区， 因此具有 良好的实际应1 1 1 1,111 景。1 . 3 . 2本论文的主要工作 本论文计划首先通过电抗器温度场分布的数值模拟， 从理论上找出电抗器在正常运亘第 t 章绪论行中的 温度分 布规律; 再设 计一套实时在线监 控电抗器内部温度分布的 分布式光 纤温度测 量系统， 探索出一条解决电力 行业电抗 器及变 压器温 度测量的新思路和新技术。 这将能为电网的安全运行提供监控保障作用， 最大限度的保护电抗器不被烧坏，从而为厂家节省大量的资金、人力和物力。 具体而言，本论文的具体工作是; 第一 章: 绪论。 主要介绍电 抗器存在的易 烧坏问 题和引入分布式光纤温度传感 器的必要性。 第三章:为电抗器温度场理论推导的 思路介绍。首 先是建立了电 抗器的理论 模型，然后， 通过计算 考虑热辐射时单个包封表面的 等效对流传热系数， 得出单包封时的 温度场分布。 其次， 通过 假设包封之间 空气层温度分布和包封表面等效对流传热系数的分布，得出多包封的温度场分布，即电抗器的温度场分布。 第三章: 介绍了在进行电抗器温度场理论计算时用到的一种数值模拟方法有限差分法。并用m a t l a b 编制有限 差分法 程序，计 算了电 抗器温度场分布。 第四章:由于计算机模拟的一些显著 优点 ( 其成本低， 见效快， 设计迅速， 便于在设计中改进。而且模拟结果直观、准确) ，介绍了当今数值模拟中最为常用的一个大型工程模拟软件a n s y s ，并把 a n s y s引入到电抗器的温度场模拟中，得出和有限差分法相同的结论。 第五章: 具体介绍了 基于喇曼散射的 分布式光纤温度传感器的工作 原理与各 器件参数介绍和选择。为第二阶段的工作做了较好的铺垫。 第六章为 结论与 展望， 总结本文的一些主要工作与思路， 并对后续工作方向提出一些个人的看法。西 北 工 业大 学硕 士 学 位论 文 第2 章 电抗器温度场分布的计算 本章首先介绍了电抗器的用途、 结构及影响电抗器正常工作的主要囚素， 接下来建立了电抗器的理论模型，分析了电抗器正常工作时生热、散热的原理并阐述了求解电抗器内部温度场分布的思路。2 . 1电抗器的用途及结构 电 抗器是 远距离 输电 系统的 主要辅 助设备