（高电压与绝缘技术专业论文）基于分布式光纤的电缆温度监测系统及其数据处理研究.pdf

r e s e a r c ho fd a t ap r o c e s s i n ga n dp o w e rc a b l et e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e r b y h ew e i b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y i n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o uy u s h e n g a p r i l ，2 0 11 65i01蛐488iil_y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 作者签名：懂匆 日期：知t1 年 7 月 f r e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：谚讳日期：如t 1 年 月f 日 导师躲i 司拙嗍沙f 年月1 日 摘要 电力电缆在电力系统中特别在城市配电网中应用愈来愈广，然而电力电缆在 高电压、强电场、大电流以及复杂环境条件下，由于铜损、介质损耗发热会导致 电缆温度升高、绝缘老化和恶化加剧，因此通过监测电缆温度来实现监测电缆绝 缘性，是预防电网故障和保障电网安全运行的重要手段。 本文基于光时域反射原理和后向拉曼散射原理，利用微型计算机、w i n d o w s 操作系统、l a b v i e w 平台，s q ls e r v e r 数据库设计了一个分布式光纤测温软件系统， 完成对输电电缆温度的测量，并通过获得的温度判断其绝缘状态，实现电缆的全 寿命管理。 由于分布式光纤温度传感系统输出信号小，受干扰影响大，如何消除白噪声， 提高温度测量精度，是高精度测温系统存在的难题。对此，本文采用了基于小波 多分辨分解的h r p 算法的快速实现方法和累积平均算法相结合，对采样信号进行 处理，有效地抑制噪声，减少了系统的运算时间，提高了测温系统的精度和稳定 性。 最后，论文对分布式光纤测温系统及数据处理技术进行仿真验证，利用l a b v i e w 和m a t l a b 软件分别进行了监测系统设计和算法仿真分析，得到的温度曲线，表明 了该技术的有效性。 关键词：电力电缆；光纤测温；拉曼散射；噪声印制；改善小波算法 a b s t r a c t p o w e rc a b l e sa r ea p p l i e dl a r g e l yi np o w e rs y s t e m s ，s p e c i a l l y ，i nc i t yd i s t r i b u t i o n p o w e rs y s t e m h o w e v e r ，u n d e rt h ee f f e c to ft h eh i g hv o l t a g e ，h i g hf i e l d ，l a r g ec u r r e n t a n dc o m p l e xe n v i r o n m e n t ，t h ec a b l et e m p e r a t u r er i s e sa n di n s u l a t i o nd e t e r i o r a t e s b e c a u s eo ft h ec o p p e rl o s sa n dd i e l e c t r i cl o s s t h e r e f o r e ，r e a l t i m em o n i t o r i n gt h e t e m p e r a t u r eo fc a b l ei sa ne f f e c t i v em e a s u r et om o n i t o rt h ec a b l ei n s u l a t i o n ，w h i c hi s o fi m p o r t a n tm e a n i n gf o rp r e v e n t i n gf a u l ta n dp r o t e c t i n gt h es t a b l ea n ds a f er u no f p o w e rs y s t e m t h e p a p e rt a k ea d v a n t a g eo fm i c r oc o m p u t e r ，w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ， l a b v i e wp l a t f o r ma n ds q ls e r v e rd a t a b a s e d e s i g n e dad i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e r t e m p e r a t u r em e a s u r i n gs o f t w a r es y s t e mb a s e do nt i m i n gr e f l e c t i n gl i g h tp r i n c i p l ea n d r a m a ns c a t t e r i n gt h e o r y ，c o m p l e t i n gt r a n s m i s s i o nc a b l et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ， m e a n w h i l e ，r e a l i z i n gl i f e c y c l em a n a g e m e n to ft h ec a b l e b e c a u s eo fd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s o rs y s t e mo u t p u ts i g n a li s s m a l l ，w h i c hw a se a s i l yd i s t u r b e d ，h o wt oe l i m i n a t et h ew h i t en o i s ea n di n c r e a s et h e p r e c i s i o no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sac h a l l e n g ei nt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e m i no r d e rt og e te f f e c t i v es i g n a l ，t h i st h e s i sa d o p t sf a s th r pa l g o r i t h m r e a l i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h ew a v e l e tm u l t i r e s o l u t i o nd e c o m p o s i t i o n ，a n dw i t h c u m u l a t i v ea v e r a g ea l g o r i t h mt op r o c e s st h es a m p l e ds i g n a l ，t h en o i s ei s s u p p r e s s e d e f f e c t i v e l y t h i st e c h n o l o g yr e d u c e so p e r a t i o nt i m e ，a n di m p r o v e st h ea c c u r a c ya n d s t a b i l i t yo ft h et h e r m o m e t r i cs y s t e m f i n a l l y ，t h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e da n dt h es i m u l a t i o ni sc o n d u c t e d ， a n db a s e do nl a b v i e wt om o n i t o rt h ep o w e rc a b l et e m p e r a t u r ei nr e a l t i m e ，a n d a d o p t e dm a t l a bt oa n a l y s i sa b o v ea l g o r i t h m ，t h eo b t a i n e dt e m p e r a t u r ep r o f i l e s d e m o n s t r a t e dt h et e c h n o l o g ye f f e c t i v e k e yw o r d s ：p o w e rc a b l e ；o p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r em o n i t o r i n g ；r a m a n s c a t t e r i n g ；n o i s es u p p r e s s i o n ；i m p r o v e dw a v a l e ta l g o r i t h m n 目录 摘要i a bs tra c t i i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 国内外电缆监测技术状况2 1 2 1 电缆监测技术的发展一2 1 2 2 现有电缆绝缘监测技术的特点6 1 2 3 分布式光纤温度监测系统的研究现状8 1 3 光纤温度传感技术中的噪声干扰”9 1 4 课题主要工作9 第二章基于光纤的电缆温度监测系统设计 2 1 光纤测温原理”1 1 2 1 1 自发拉曼散射的机理1 1 2 1 2 关于自发拉曼散射的描述1 2 2 1 3 光时域发射原理1 4 2 1 4 分布式光纤温度传感原理1 5 2 1 5 光纤测温技术1 6 2 1 6 测温系统的相关技术指标1 8 2 2 分布式光纤测温系统1 9 2 2 1l a b v i e w 平台1 9 2 2 2 信号处理功能模块2 0 2 2 3 数据的存储、管理模块一2 0 2 2 4 温度显示输出模块”2 1 2 2 5 报警模块”2 1 2 3 电缆绝缘状态监测系统2 2 2 3 1 系统测温2 3 2 3 2 温度信号处理“2 3 2 3 - 3 电缆绝缘状态监测2 4 2 3 4 电缆的全寿命管理2 4 第三章基于改善的小波分析在电缆温度数据上的去噪 3 1 小波变换的理论与特点2 6 3 2 小波消噪原理2 7 3 3 利用改善的小波变换去噪声的理论依据2 8 3 3 1 算法的基本思想2 8 3 3 2 小波变换模极大值2 8 3 3 3 白噪声小波变换模极大值随尺度的传播特性”2 9 3 3 4 母函数的选取3 0 3 3 5 电缆故障点检测信号白噪声抑制算法3 l 3 4 利用多分辨小波分解算法实现h k p 的快速分解”3 1 3 4 1 利用多分辨小波分解算法实现h r p 的快速分解的参数3 1 3 4 2 基于小波分解快速算法的h r p 算法快速实现步骤“3 2 3 5 改善的小波分析去噪基本步骤3 2 3 , 6 电缆温度信号的小波多尺度分析仿真3 3 第四章电缆温度监测的仿真分析 4 1 程序的设计3 5 4 2 仿真结果分析3 6 4 2 1 对正常运行电缆温度仿真分析3 6 4 4 2 对含故障点的电缆温度仿真分析3 8 第五章电缆温度监测系统的软件设计 5 1 绝缘性能诊断程序4 0 5 2 界面设计“4 2 结论与展望4 5 参考文献4 7 致谢5l 附录( 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文) 5 2 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 电力电缆广泛地应用于输变电的各种环境中，而且随着国民经济的发展，城市 电网建设的不断改造，电缆的使用量在逐年增长，将逐渐取代架空线。为满足电力 生产安全和国民经济生产的需要，要求埋于地下的电缆必须能够长期连续地运行。 其绝缘性直接影响电力系统安全可靠性，如何对电缆绝缘性进行监控，一直是我们 面临的难题【- 】。电力电缆在高电压、强电场、大电流和复杂环境条件下，由于铜损和 介质损耗增加导致电缆温升，会加剧电缆绝缘老化和绝缘恶化，因此如何有效地对 电缆温度进行实时监测，是实现电缆状态在线监测、预防事故和保障电网安全运行 的重要手段。 跟美国、日本、德国、法国等一些发达国家相比起来，我国输电电缆发生的故 障率较高，电缆在线监测技术有待新的提高。通过提高电缆温度在线监测技术，是 监测电缆绝缘性、评估电缆状态、防止电缆火灾的重要措施，是保证电力系统安全 运行的重要部分。如果说能在故障发生前通过温度监测法准确测出故障点，并进行 报警就完全可以避免电缆事故的发生【2 l 。 电缆能否安全运行，跟它的绝缘性能是息息相关的。长期以来，对电力系统中 的设备监测经历了三个阶段：第一个阶段是对电力设备进行维修。就是在电力设备 发生故障之后才对设备进行检修，这样一来是在造成了巨大的损失之后才开始监测 的；第二阶段是对电力设备进行预防性试验，它虽然保证了电力设备安全可靠地运 行，而防止了故障的产生，但是在需要在停电地情况下才能对设备进行检修：这样 才造成了一定的损失，随着经济的发展，这样的检测已经不能满足企业的需要；第 三阶段，主要是对电力设备进行在线监测即在不停电地情况下对电力设备进行 检测。因此利用计算机软硬件、电子设备、单片机和各类传感器等设计一个测量系 统，实现对电缆的在线监测亟不可待。 对电力电缆进行在线监测，可以及时发现绝缘故障，从而降低事故的发生。特 别是在输电电缆埋于地下的初期，以及电缆运行很长一段时间后进入老化时期，对 1 2 1 电缆监测技术的发展 对于输电电缆的在线监测，在国外开展比较早，研究较多，较深的当属日本 3 1 。 2 在八十年代初期，日本就开始对输电电缆在线监测进行不断的探索研究，开发出 直流叠加法、电介质损耗正切法和直流分量法等多种诊断技术【引。日本s u m i t o m o e l e c t r i ci n d u s t r i e s 于八十年代后期研制出在线运行输电电缆检测仪。该仪器分为携带 型和固定型两种，主要应用的条件是电压等级在3 3 k v 、6 6 k v 、1 1 o k v 等级电压 下的输电电缆；电网中性点经消弧线圈接地或接电阻接地；中性点不接地，采用 的方法主要是叠加电压法1 5 】。 在中国，输电电缆的在线监测的起步较晚、发展也相对缓慢。在九十年代初 样子，上海电缆研究所也开始对输电电缆进行研究工作，并做了大量的现场试验。 并在一九九三年，该研究所采用直流叠加和直流分量相结合的诊断方法，研制成 了c d z 型电缆诊断仪，很适合于工业现场使用。并在上海某码头电网中现场运行 了几年，给企业的运行在经济方面提供了很好的保障。 输电电缆运行是否安全，关系到电力系统、各种厂矿的运行与否，电力运行 相关部门开始重视起来。一九九八年十月，国内某油田的某分公司的一段电缆， 由于其温度过高，所处环境比较潮湿，使得水树产生老化，致使电缆的相间发生 短路，引起它的上游开关器发生严重事故，对公司跟国家都造成了巨大的经济。 一九九九年国内又某一钢铁公司由于某个电缆中间接头发生故障，造成了整个电 缆隧道中的输电电缆都被烧毁，损失不可估量。第二年因为上海宝钢企业的某一 隧道中的某一条电缆发生故障引起火灾，造成经济损至少在亿元以上【s l 。今年，某 路桥改造施工中，由于野蛮施工造成配电电缆线路故障1 4 次，造成架空线路跳闸7 次，导致了经济损失4 8 3 万元。 图1 1 由于电缆故障，造成大面积停电 3 图1 2 杲城市专家正在检测电缆的故障原因 我国对于电缆的在线监测的研究还处于初级阶段，而且还是主要集中在l l o k v 以下的低压输电电缆，而对于1 1 0 k v 、2 2 0 k v 以及以上的高压输电电缆的应用研究 非常之少，但随着社会的不断向前，城市电网的不断改造，对电缆需求的不要提 高，高压输电电缆才是运用的重头，因此高压输电电缆的安装和维修费用在不断 地增大，必须寻求一种经济可行的电缆在线监测方法才能解决目前所存在的问题。 从整体上说，检测输电电缆的技术可以分为输电电缆在线检测和输电电缆离 线检测两种。在对输电电缆检测技术多年进行研究之后，目前拥有的离线检测方 法主要有直流成分法、残留电荷法、直流高压泄露电流法等多种。输电电缆直流 离线检测具有一个共有特点，那就是是必须对输电电缆通较高的直流电压；除了 现在还在研究开发的一些方法外，目前存在的输电电缆交流离线检测技术有空间 电荷检测法、谐波电流法等，谐波电流法中，谐波的高频部分与噪声的分离存在 着相当的难度。对于离线检测法，它的最大缺点是需要对电力系统停电检修。显 然，对于电力系统来说，这样做的损失非常之大，因为停电检修的代价很高，还 会严重影响人民的生产、生活，任何一次的停电检修都会给电力系统的运行造成 重大影响，对实现设备安全经济运行的提高这个目标是很不利的。 目前，已经提出的多种电缆检测方法中，多数只是研究输电电缆的绝缘性， 研究其信号的识别性，大多停留在实验室阶段，虽有部分运用到实际中，也主要 4 是对1o k v 及以下的中、低压电缆进行检测，采用的方法为直流叠加和直流成分两 种方法；相对来说，在1 1 0 k v 2 2 0 k v 或者以上的高压输电电缆的在线检测上，目前 的研究甚少。随着城市负荷的增大和城网规划的发展，1 l o k v 2 2 0 k v 以及以上输电 高压输电电缆将不断引入城市电网，因此提高和实现电缆状态在线监测技术对于 预防事故和保障供电极为重要。 表1 1 国内外常采用的几种在线监测电缆故障方法 方 原理及特征使用情况在线监测特点 法 大量地研究表明，在已施加交流电压的 已用于在线监测，但因电流小所以测量装 直 输电电缆绝缘上，也能测剑很微小的直 要排除护套电阻和置的抗干扰措施十分 流 流电流分量。所以这种方法是用直流叠 外屏蔽地电势引起重要。大量实验数据表 成 加法的测量电路来进行电缆绝缘中直 的杂散电流的影响，明直流分量于水树枝 分 流分量的测量的。直流成分法解释为： 因此已经采用“补偿长度、直流泄露分量、 水树枝起了“整流作用”，这样电缆绝 电势法”等一些方法交流击穿电压等绝缘 法 来消去这些干扰因特性有较好的相关性， 缘具有了象二极管的特性，使电缆绝缘 素的影响，提高次方对发现集中性的缺陷 层出现了直流分量。 法的测最准确性。 较敏感。 对已施加交流电压的电缆绝缘上叠加 常在接地电压互感器 直 直流电压，从而测量通过绝缘的微弱直 应用较广泛，护套电( 6 p t ) 处叠加低压直 流 流或绝缘电阻。测量值可以反映输电电 阻和外屏蔽地电势流，间接测出绝缘电 叠 缆绝缘恶化的绝对值。由于在直流电压 加 下绝缘层中水树会呈现“极性效应”， 引起的杂散电流对阻，宜用于在线监测。 电缆绝缘的正反向绝缘电阻不同，为此 测量有影响，但比直但绝缘电阻与电缆绝 法 流成分法的影响小。缘残余寿命的相关性 提出了“改进直流叠加法”。 不是很好。 在 开始应用较多，由于 线 对长距离电缆的绝在线监测的设计要注 介 运用与电容型设备绝缘在线检测t a n 8 质 法相似的测量原理及其方法，在运行电 缘状况反映不灵敏，意，因输电电缆的 损 压下检测输电电缆绝缘的t a n 8 值，其 局部性故障并不一t a n 8 较容性设备小， 耗 测量误差及缺点和电容型设备绝缘在 定使电缆的t a a 8 变测量的精度、稳定度较 角 线检测t a n 8 法相似。它只反映普遍性 化。t a n 8 随水树变难保证。个别较集中的 正 的缺陷，t a n 8 值取决于整体损耗的变 化的分散性较大，此缺陷不会引起整根电 方法现在应用不多。 缆的t a n 8 值的显著变 切 化。 化。 法 5 由于此方法受外界 局 理论上可用于在线监 部 借鉴变压器局部放电方法，使其运用与 影响严重，去干扰难 测，问题是在于排除干 放 输电电缆局部放电信号检测。此法能检 度较大，国内应用较 扰，国内运用很少，原 电 测出缺陷处发生的局部放电，并可测出 少。日本在此方法上 因认为其背景干扰不 在 缺陷的具体位置，可反映出运行中电缆 研究较早且有较成 易去除，而且局部放电 线 整体绝缘状况和缺陷的程度和具体位 熟的应用，在一定信 信号很小，沿电缆传播 监 置，从理论和方法上讲，是一种很好的 号处理方法基础上， 还有衰减。另外，此放 测 在线监测法。 用此方法测量精度 啊形成的在线监测系 达到1 p c ，缺陷位置 法 统成本可能较高。 检测误差为1 日本对此方法已经 低 把绝缘层看成r 、c 并联电路，外加低频、有成熟应用，国内在 方法类似于直流霍加 频 超低频时，绝缘层容性电流比工频时近几年也对此方法 法，只是叠加低频、超 叠 小，而阻性电流无明显变化，易从总电进行了消化和深入 低频信号的特性有所 加 流中分出阻性电流，即t a n 8 = l 国瞅，研究，发现了一些新 不同，前者的某些信号 缈下降，m n 8 增大，使t a n 8 也易于准的特性，并趋于把此 法 特性要明显些。 确测量。 方法运用打现场在 线监测中。 接 由于在测量时要临 该方法简单易行，常在 地 鉴于局部放电、t a n 8 和直流叠加法等时断开电缆头一端接地线上套以电力传 线 的实施难度和测量精度难以保证，改用的接地线，对电缆安感器即可实现，但这时 电 在线监测通过接地线的电容电流增量全运行产生影响，此另一端电缆头处的接 流 的方法对输电电缆绝缘状况进行监测。方法在国内的研究地线在测量时要临时 法 运用和报道很少。断开。 日本较多应用分布 监测运行输电电缆的某些温度指标，如 式光纤温度传感技 温度能较直接、明显表 温 表面温度，来反映其绝缘运行状况，其 术进行护套内温度 现电缆绝缘情况，特别 度 测量方法也分为接触式和非接触式测 测量，国内也出现过 是容易发生爆炸的连 法 量。根据监测部位不同，也有护套内温 进行表面温度监测。 接头。考虑到温度测量 测鼙的准确度较高， 的简单和准确性，不失 度、外表面温度等多种测量指标。为一种有实用价值的 温度测量受干扰影 在线监测方法。 响小。 1 2 2 现有电缆绝缘监测技术的特点 表1 1 给出了电缆绝缘检测几种方法的原理及特征，使用情况和特点。 1 、表中第一种方法虽然可以检测各种电压等级的输电电缆绝缘性能，这种方法 提取微小电流比较困难，且还受杂散电流的影响，并不适合电缆系统实际的应用； 6 2 、表中第二种方法比较适合于1 0 0 k v 以下的低压输电电缆绝缘性能的检测，由 于它不能解决直流信号加载和接地方式之间存在的问题，并不适合高压输电电缆的 应用场合； 3 、表中第三种方法对于检测电容性设备的绝缘有很好的应用。但由于这种检测 方只能反映电缆绝缘的整体故障水平，却对电缆绝缘的裂化程度无法显示。因此它 的测量精度很低； 4 、表中第四种方法是电缆水树老化的判别方法之一。但是在没有很好解决干扰 问题的情况下，对电力系统的现场检测利用价值不高； 5 、表中第六种方法相比以上方法来说操作简单可行，但一般都要在输电电缆的 一端安装传感器才能实现，同时要求另一端断开才能满足。这种方法其实是一种离 线检测方法。 6 、温度检测法能较直接明显显示出电缆绝缘状况，尤其对于输电电缆的端头和 中间接头，能够很准确地显示其故障程度来。而且温度法检测输电电缆，其方法简 单、准确，是目前来说最有实用价值的在线监测方法之一。其中温度法又可分为以 下几种： ( 1 ) 局部检测系统 局部检测系统是将热电偶或者是某些温度传感器放在输电电缆中容易发生故 障的部位，如敷设在地面上方的电缆端部和各段电缆之间的接头位置，来获得这 些部位的温度信息。局部检测法操作简单，投资较小，但只能检测电缆的局部温 度，且检测的精度性不高【( l s l 。 ( 2 ) 红外热缘仪 红外扫描技术检测输电电缆的原理是利用红外扫描仪扫描出电缆表面的温度 图像，来获得电缆表面的温度信息，然后建立电缆表面温度与电缆缆芯温度之间 的关系，反演计算出缆芯的温度来。红外扫描技术虽然不在局限于输电电缆局部 的温度，但是其不适应于较长的输电电缆，因为输电电缆较长的话，需要扫描的 电缆表面温度信息量过大，反演计算的缆芯温度也很复杂【，j o 】。 ( 3 ) 感温光纤技术 感温光纤技术是将感温光纤沿输电电缆方向表贴于电缆上面，或是绑在电缆 的外护套上，可以测量整条电缆线路的温度。感温光纤技术虽然可以实现电缆的 7 障发生火灾。 ( 4 ) 该技术很好地完善了输电电缆的在线监测技术，同时为电力系统的其他设备 的监测也提供了一种新的、实用性强的技术。 8 1 3 光纤温度传感技术中的噪声干扰 用分布式光纤温度传感系统对输电电缆进行检测时，有用信息全部淹没在噪声 中。斯托克斯和反斯托克斯信号非常弱，大约为入射光的1 1 0 8 。同时，由于系统中 存在电压波动、半导体热噪声、因电子随机作用而产生的散粒噪声等。这些噪声是 由大量的短尖脉冲组成，其幅值和相位是随机的，脉冲的形状也不尽相同。这些噪 声的幅值均远大于被测信号的强度，导致信号的信噪比很低。具体的干扰来自以下 几个方面： l 、自发辐射噪声，这是光纤温度传感系统的最主要噪声来源。自发辐射噪声是 由于自发拉曼散射经泵浦光的拉曼放大而产生的覆盖整个拉曼增益谱的背景噪声， 显然，泵浦光越大，自发辐射噪声就越大。而且接收端的光滤波器带宽越窄，自发 辐射噪声功率越小。当光纤中有信号输入时，光自发噪声功率与信号功率相互作用， 产生放大信号及散弹噪声、信号自发辐射自发拍频噪声和自发辐射拍频噪声。 2 串扰噪声分为两种：一种是由于泵浦光源的波动而造成的泵浦、信号串扰； 另一种是由于泵浦光对放大单一信道与放大多个信道的增益不同而造成的串扰。一 般来说，信号功率或泵浦功率越大，串扰越严重；泵浦光道信号光的转化效率越高， 串扰越严重。 3 二次瑞利散射噪声是由于瑞利后向散射引起的，它在光纤后端反射到输出端 形成噪声，导致信噪比的恶化。它也是一个重要的噪声因素。 因此，去除测量温度中的噪声是分布式光纤测温系统中的关键，需要研究如何 对其噪声进行消除。 1 4 课题主要工作 本文基于分布式光纤的电缆温度监测系统及其数据处理进行了研究，所做的1 要工作包括： 1 设计了一个分布式光纤测温系统，完成了对输电电缆的温度测量，并通过 温度的大小判断其电缆绝缘性能，实现电缆的全寿命管理。 2 在传统的数据处理的基础上，采用将小波分析与h r p 快速变换相结合的方 法，对输电电缆监测的温度信号进行处理，利用故障点信号与噪声信号的指数性 9 质相反的特点，并结合累加平均算法，可以有效地抑制噪声，得到故障点温度信 号。 3 本文最后应用m a t l a b 对上述算法进行了仿真分析，验证了该方法的有效性。 并针对电缆绝缘性能，设计了一个电缆温度诊断软件，它可以根据电缆温度是否 超出设定的参数范围，做出是否报警的判断。 1 0 第二章基于光纤的电缆温度监测系统设计 由于分布式光纤温度监测系统较为复杂，目前我们所用的测温仪器都是从国 外进口的，国内尚未生产，因此设计一个分布式光纤测温系统意义非常之大。本 文利用微型计算机、w i n d o w s 操作系统、l a b v i e w 软件和s q ls e r v e r 数据库计了 一个分布式光纤温度测温系统，完成对输电电缆温度的测量。然后根据获得的各 点的温度信号判断对应点的绝缘状态，并估计其剩余寿命，实现电缆的全寿命管 理。在对分布式光纤测温系统设计之前，我们先介绍光纤的测温原理。 2 1 光纤测温原理 2 1 1 自发拉曼散射的机理 频率一定的光线叫做单色光，在1 9 2 3 年的时候，a s m e k a l 提出这样的光入射 到介质以后，除了有反射和折射外，还有光的散射现象【：l l 。 光的散射是光学中的一种常见的现象，是指光在介质中传播的过程中发生的 光与物质相互作用的一种现象。当光在介质中传播的时候，大部分光线都会完全 地反射出去，其中还有一部分会被光存在的介质所吸收，然后再转化成介质的热 能，这个热能最终会被损耗掉。除了这两部分，另外还会有一部分光线却会偏离 原来的传播方向而被散射开去。在入射光射进来发生散射，变成散射光以后，光 线的强度、方向和频谱都有可能会发生改变。而在不同的介质中，由于不同的介 质，它的成分、结构、均匀性都会不同，光散射的特性也就相应的不同。换句话 说，之所以会产生光散射现象，是因为介质的折射率不均匀，也因为光线的不均 匀性所引起的，由于这种明显的不均匀性使得介质中会有局部区域形成散射中心 而把光线散射出去。 如果从电磁辐射理论方面来解释的话，可以理解为由于光线入射进来时，介 质会在入射光波场的作用下产生感应电极化，这种感生振荡电偶极子或者磁偶极 子就会变成散射光的电磁辐射源，而这些电磁辐射源会产生散射光，它们再时行 叠加，就是我们所能实际观察到的散射光了。如果介质均匀，那么散射光就会均 匀分布且具有一定规则地排列，这样的话散射光只会沿某个特定方向进行散射出 去，那其它方向就不会有散射光了。这主要是因为每个分子都是受相同的入射光 波所激励，因此形成的感生振荡电或磁偶极子的相位分布都是有一定规则的，那 它们所产生的散射光是相互干涉的，而这种干涉的结果只会使某个方向的光强不 为零。由此可以看出，正因为介质的不均匀性这一重要的特性，使得散射得以形 成。 相应的产生介质不均匀性的原因又有许多种，那么可以根据这种原因的不同， 就可以把散射划分为机理不同的几种散射形式。常见的散射有以下几种：瑞利 散射，这种瑞利散射之所以得名，是由于介质的不均匀性是由非传播性的墒起伏 所引起，或者介质的异性分子取向起伏而引起介质的不均匀；布里渊散射，在 这种散射中，介质的不均匀性是由声波甚至是声学支声子波引起；喇曼散射， 在这种散射中，介质的不均匀性则是由分子的光学支声子波或振动引起的。 量子理论原理可以得出，光的散射现象是由光子与原子、分子、电子及声子 等发生碰撞所引起的，这种碰撞会造成入射光子散射成为散射光子，这些散射光 子是与入射光子与入射光子方向能量不同，相应的微观粒子的能量以及动量都会 发生变化，但仍然遵循能量守恒和动量守恒定律1 。 自发拉曼散射现象可以解释为：光纤是由石英也就是二氧化硅分子组成的， 而二氧化硅分子又是由硅原子和氧原子所组成，他们在分子内部就会按一定的方 式和规则处于运动状态，而这种分子内部原子间的相对运动使分子间感生电偶极 距随时间的周期性改变，从而导致入射到光纤中的光线发生散射。如果是单色光 入射，会使散射光的频率和入射光相比也会发生一定的移动，而前面说的调制频 率就是按这种频率移动量的大小来定量的。在拉曼( r a m a n ) 散射光谱中，如果比 入射光波的频率低，那么这些分量称为斯托克斯( s t o k e s ) 光，而比入射光波的频 率高的分量则称为反斯托克斯( a n t i s t o k e s ) 光。 2 1 2 关于自发拉曼散射的描述 2 1 2 1 拉曼散射现象的经典理论描述 从经典理论可以看出，拉曼散射可以认为是：泵浦光的电磁波使光纤介质分 子或原子内的电子相对原子核发生微小的位移引起的。 1 2 由位移引起的电极化会使得入射光的频率发生一定的变化，因而产生称为 a n t s t o k e s 散射光和s t o k e s 散射的散射光。 设由有单位体积的m 个互不相干的谐振子组成的拉曼介质，对于每个分子， 它的方程为： 学+ 厂掣侧2 心力= 掣 他。， 在式中：y ( z ，f ) 是表示外作用力；x ( z ，f ) 表示的是分子的偏离量；、m 、厂 分别为分子的振动频率、分子的质量以及分子的阻尼系数。 介质分子的极化率口是关于x 的函数，可由级数形式表示为： 州氇+ ( 警) 。+ 故窘卜+ 瓢等卜 汜2 ) 如果取玎阶近似值，那么介质的介电常数表示为： 一帆c 慨”喜鼠现x ) 眩3 ， 有频率为q 的电场e ( z ，f ) ，静电储能密度孝表示为： 孝= 去s i e ( z ，) 1 2 ( 2 4 ) 所以就可得出作用在每个分子上的力： 脚，= 专笼1 志。，1 卜力 他5 ， 从上面的公式来看，频率为的分子，它的振动会造成介电常数占出现调制， 且出现在处，因为它的调制，因而会发生频率偏移，这个频率为的整数倍。 很容易得出，在频率为q 的外场力作用下，非线性介质的简谐振子，会出现 频率为q 的新的极化强度分量，振荡的极化强度也将发生辐射，产生频率为 q 慨的电磁波，也就是我们说的各阶反斯托克斯和斯托克斯散射。而且从分析 中我们可以知道反斯托克斯散射强度和斯托克斯散射强度大体相当，这与受激拉 曼散射现象相一致，但从实验上可以看出自发拉曼散射的斯托克斯散射比反斯托 克斯要强几个数量级，而经典的量子理论学是不可以解释这一现象的。 2 1 2 2 自发拉曼散射的量子理论描述 1 3 光经典理论对反斯托克斯光和斯托克斯光的解释与实验不符，再加上经典理 论也不能解释自发拉曼散射的斯托克斯光和反斯托克斯光与它们在的环境温度之 间的定量关系。而量子理论却可以给出拉曼散射全面的定量描述。量子理论的基 本原理就是把拉曼散射看成是介质分子和光量子相碰撞而产生的非弹性碰撞过 程，这种非弹性碰撞一般都会伴随有能量的转换，能量的转换也是对应着能级的 跃迁。拉曼散射的产生过程由下图2 1 表示。 l j jc h ( o o d )h ( v o + i h v oh o oh v o h o a r r1r 图2 1 拉曼散射过程能级显示图 图中乜a 、分别表示分子振动的基态和激发态。假设注入光纤中的激光( 入 射光) 频率为0 0 ，则甩表示为光子的能量；当分子从基态乜或者激发态乜被入 射光激发到能级e o + 或者毛+ h v o 的虚态，又回到基态e 或者激发态包，这样 一个过程就叫做瑞利散射。而斯托克斯散射，是指当基态的分子被注入光纤中时， 它被激光激发到虚态，再又重新回到激发念乜，这时会产生能量为矗( to - v ) 的拉 曼散射，散射光子频率是一u 。而反斯托克斯散射是指处于激发态的分子被入射 光激发到振动虚态，然后再回到基态已口，产生能量为，l ( v o + d ) 的拉曼散射，这里 的散射光子频率是十d 。关于频谱图上的分布，斯托克斯散射和反斯托克斯散射 光几乎是对称的。 2 1 - 3 光时域发射原理 采用光时域反射计( o t d r ) 技术测量一种后向散射光，而这种光是由光纤中 各点产生的。这就是分布式光纤温度传感器的工作原理。要想获得光纤路径中的 温度场信息我们可以通过以上的方法来获得散射光中的温度信息。它是分布式光 纤温度传感技术的基础。以前，为了评价光缆、光纤等通信电缆的性能，通常采 1 4 用光时域反射技术，而它是通过用于光学通信领域来实现以上要求的。这是一种 检验光纤故障以及损耗的一种手段。 图2 2o t d r 工作原理 如图2 3 所示，当后向散射光返回时它将被检测到，这种光是光脉冲在光纤中 传播时产生的。而光脉冲是激光发射器发射出来的。它会射进光纤。下式是光纤 中散射点的位置和时间t 的关系式。其中时间t 是从光脉冲被注入时开始计时，到 散射光返回到原点的时候的时间间隔。式中的d 是光纤发生散射的位置。 d ：一1 ，f ：! 旦f 22 刀 ( 2 6 ) c 为真空中的光速，r 为光纤的折射率。 图中，假设光持续的时间为缸，那么在 d ，d + ( v a t ) 2 的这段时间段内，检测 到的能量是这段光纤在f 时刻以后的后向散射的总能量，于是，如下式所示，光时 域反射的空间分辨率为： a d ：v - a t 2 ( 2 7 ) 要想得出温度信息，可以通过不同距离的后向散射信息得出，而这个距离又 可以通过测量后向散射的时间来得到。这是因为，整个传感光纤不同位置的散射 与不同时间点测量到的反射光强度是对应的。 2 1 4 分布式光纤温度传感原理 分布式光纤温度传感系统的原理图如图2 3 所示，分为光电探测、光纤温度场 信息采集和信号处理3 大部分。 1 5 图2 - 3分布式光纤测温系统的原理图 由于激光在光纤内发生散射之后，带有温度信息的拉曼后向散射光回到了光 路耦合器中，光路耦合器不仅将发射的光直接耦合到传感光纤内，而且能够将散 射出的不等于发射波长的拉曼散射光耦合到分光器内。在同步控制单元电路的触 发之下，光发射机产生一个巨大电流脉冲，该电流脉冲引起半导体激光器产生一 个大功率的光脉冲，并进入到激光器尾纤中，激光器尾纤中输出来的光脉冲通过 光路耦合器之后进入到放在恒温槽内的传感光纤之中。分光器是由两个分别滤出 斯托克斯光和反斯托克斯光的滤波器组成，他们滤出的中心波长不同，两路光的 信号经过接收机后，进行光电转换和放大，然后通过数据采集单元的高速数据采 样转换成数字量，最后经过进一步的信号处理之后，就能用于温度的计算。 2 1 5 光纤测温技术 当频率为的光脉冲注入光纤时，会产生后向拉曼散射，就是一种频率和入 射光不同的散射光。它的分子量很少，于是它的信号比瑞利散射信号弱的多。拉 曼散射光子的频率既可以向高处移动( 反斯托克斯频移) ，同时它也可以向低处移 动( 斯托克斯频移) 。因此，在频谱图上拉曼散射是由位于瑞利散射两侧对应的反 斯托克斯和斯托克斯谱线所组成。在对应的频域内，拉曼散射光子可以分为斯托 克斯和反斯托克斯光子。反斯托克斯散射光子的频率和斯托克斯散射光子频率由 式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 描述。后向拉曼散射就是由a n t s t o k e s 和s t o k e s 光子组成的。 由