一种用于电缆中温度探测的分布式光纤传感器.doc

一种用于电缆中温度探测的分布式光纤传感器摘要：地下电缆的电力传输承载能力受制于沿电缆线出现的高温区域。要确定和控制这些“热点”是十分困难的。我们能够获得实时处理的温度数据方式去了解电缆最适宜的使用方法、温度分布控制以及负荷传输。为了达到这一目的我们发展了很多的方法，诸如需要大量传感器和转接器的传统点温测量法以及仅仅能够得到近似于真实值的基于数学上的方法。在本项研究中，154kv交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆使用了分布式传感器法进行温度探测，其中由于光纤自身属性被作为传感器。因此没有必要使用传统的器件法。再者，对比基于数学上的方法，前者考虑的温度变化分辨率能够达到C，而后者要预计出环境变化是很困难的。分布式温度传感器（DTS）法的测量系统构造以及需要的系统参数将会在本文中阐明。从126m和412m电缆中获得的实验结果展示了C的温度分辨率以及在1.22m的空间分辨率。对于10km电缆线的仿真同时也被给出。上述的结果表明无论电缆的长短，使用DTS方法总是可靠的。1. 简介由于高压传输和分布式系统都需要高昂的投资，所以电缆系统必须要是可靠和经济的，其最小的使用年限应为25或30年。无论如何，地下电缆在传输时的风险来源于其通电、高温以及机械效应。电缆的损坏意味着降低了其绝缘的质量，出现部分漏电以及绝缘的最终失效。威胁电缆绝缘的一个重要因素是其最高工作温度。通常情况下，超过最高工作温度的原因缺少可行性研究：在使用者的需求之下选择电缆的承载能力接近的设计参数并快速的增长参数。另一个重要的因素是在电缆的弯曲部位有“热点”的存在。由于高温的作用加快了电缆的老化过程。如果“热点”没有被查明或者被忽略，电缆的寿命将会比预计的值缩短很多。这就意味着电缆的温度关系到在规定的持续期间内电能能否正常的传输。因此，我们必须监控电缆上的温度分布情况以及对温度数据实时处理。使用在电缆上的传统温度探测法被称作点温测量法。这种方法要求在每个测量点上放置热电偶或铂电阻探测器。因此，要获得电缆上温度的分布情况需要大量的传感器和转接器。再者，通过对电缆在不同负荷以及环境条件下的假设，仅仅能估计出电缆整体的高温性质。此外，使用诸如有限元法的数学方法去获取温度仅能得到最多相对于真实值大小的80%90%。在计算中使用乐观的假设，由于高温的因素，根据预计负荷在操作，这是十分冒险的。另一方面，悲观的假设制约了电缆的使用，这就会限制电缆的承载能力。所以，通过理论计算和仿真去语言环境的改变是十分困难的。在这项研究中，光纤以及分布式温度传感器（DTS）方法已经被使用在获取电缆的温度分布上。所谓的“分布式传感器”是指仅使用一个探测器去重复接收来自电缆上独立测量点的数据。在分布式温度传感器法中，石英光纤自身被作为传感器。因此，受益于光纤的固有属性，传统的方法就没有必要了。使用来自于自然的光纤作为传感器有着很多优势：在介质中安全能承受电以及化学上的风险，抗干扰，耐腐蚀。此外，由于存在大量的测量点，它也具有很高的性价比。我们在第二章节描述了XLPE绝缘电缆中使用DTS的工作原理，第三章节是关于温度传感器系统的构造和实验结果。最后，在第四章节，我们对于10km电缆在不同工作条件下温度分布的进行了仿真。2. 在XLPE绝缘电缆中使用DTS的工作原理在生产电缆过程中，最受欢迎的绝缘方式是使用交联聚乙烯（XLPE）。在高温情况下，XLPE显示出了比普通聚乙烯更加稳定的性质。它这种在高温下的性质确保了高压电流的传输。在C持续工作以及最高能够短暂承受C的高温表明XLPE能够抵御在短路情况下获得的高温。在Zhurkov公式中，关于XLPE绝缘老化寿命（）最合适的表达为： （1）其中是活化能，材料分子振动频率的倒数，是一个结构参数，是电场强度，是玻尔兹曼常数以及表示温度。从式（1）中能够清楚的得到电缆中温度的大小和分布对于电缆长时间可靠的工作的十分重要的。由于分布式光纤传感器的性质，当光载波在光纤中导向性传播再通过光调制导致测量的物理量出现，我们能创造出多种多样的本征传感器。如果测量的物理量表现在整个长度的光纤上，本征光纤传感器也是分布的。那么，光纤上潜在的成百上千个独立的测量点会以分布的方式被给出信息。电缆与光纤的一体化是最合适的形式，这对于DTS的可靠性非常重要。理想情况下，光纤必需尽可能的接近电缆中的导体，可是为了接近导体就必须划破电缆中的绝缘体，所以这种接近是不实际的。对于电缆结构中是否包含光纤我们必需做出重要的决定。在这种情况下，光纤必须克服电缆生产工艺中包含的弯曲以及高温操作过程。在这项研究中，我们把光纤置于特殊非磁性管中，并把它放置在高压电缆屏蔽线之间以实现了光纤与电缆的整合。在图（1）中展示了光纤与89/154kV高压电缆的整合。由于这样的光纤整合没有依赖于电缆的生产以及实现过程，这里就没有必要对标准的电缆设计和位于管中的光纤进行任何变动，如果需要我们随时可以去替换新的。图1 光纤与89/154kV高压电缆的整合在DTS中运用了很多的原理，诸如：瑞利、拉曼和布里渊散射，模式耦合和光学上的克尔效应。其中，我们在处理拉曼散射时结合了光时域反射（OTDR）。虽然对于分布式传感器已经报道了很多关于时域，频域和相干域的反射方法的的研究，但是最流行的技术是OTDR，这项技术由Barnowski和Jensen在1976年首先提出用在分布式光纤传感器上。Barnowski和Jensen还利用瑞利背散射测定了光纤上的光损耗。在OTDR法中，光脉冲发送到光纤中。当光在光纤中传播，一小部分的光散射到沿传播轴的方向。这种背散射是由于材料的密度和结构导致的瑞利散射和分子和体积振动产生的拉曼和布里渊散射结合造成的。对于被测物理量（如距离、温度等）利用散射的敏感性在接受端由一个干扰过滤器和过滤强度的变化背散射光确定。瑞利散射对于温度变量的敏感度是非常低的。因此，它常被用作去决定电缆中出现的损耗、弯曲。拉曼和布里渊散射对于温度是很敏感的。虽然它有很高的温度依赖性，但是布里渊散射不能从瑞利散射中简单的分离出来。这就增加了接收器的成本。无论如何，拉曼散射有着足够的温度依赖性去用于分布式传感器，而且它能够很容易被探测。光纤中光散射的影响可以通过事件发生频率和散射光量子之间的关系进行分类。当频率和散射光量子相等时，出现的是弹性散射。由于光功率传播模式的一小部分被线性转移到了另一种模式，瑞利散射就成了弹性散散的一个特例。瑞利散射是发生在以光波长的微小尺度上的随机分布结果。结果所展现出的折射率的起伏主要是由于冷却过程中硅的密度和成分的变化造成的。如果频率和散射光量子相等不相等，这就是一个非弹性的散射。这种情况下，散射光量子的频率从事件发生频率转变为一个特定值。转变频率和分子的特征振动频率相等。低频的光子散散称为Stokes线，高频的光子散散成为Stokes线。拉曼散射的Stokes线和反Stokes线的放出能够被用作检测常规玻璃体通讯纤维温度分布。在背散射光中反Stokes到Stokes强度的比率为： （2）其中和是Stokes和反Stokes波长。是普朗克常数，是光在真空中的速度，是光频率的变换，是玻尔兹曼常数以及代表绝对温度。这个比率的在常温下的数量级为0.15，在0-C的范围内温度依赖性大概是。因此，光纤中背散射光的Stokes和反Stokes比率测量必须要在不论光的强度，发射条件，纤维几何和纤维组成的情况下有一个介质温度的绝对表示。实际中，光纤中Stokes和反Stokes波长衰减必须做一个小的修正。当确定了电缆中的温度分布，我们还必须知道发送的温度基准点的位置。在OTDR法中，可以通过测量光反射的持续时间来确定散射点。如果是光在前进和后退方向上传播的时间，我们可以计算出光通过的距离： （3）其中是光在真空中的速度，是光纤中的折射率。3. 温度传感系统的配置以及实验结果我们在工作中使用的DTS系统框图如图（2）所示。掺杂钕脉冲激光能够产生波长在1320nm持续时间为12.2ns的脉冲。定向耦合器是用来分离生成脉冲中的背散射信号。拉曼散射信号是由一个光电二极管进行干扰过滤以及检测的。被检测到的信号有一个高速的AD转换器进行放大和数字化。数字平均技术以一个高效的方式提高了信噪比将数据发送到显示单元。图2 DTS系统框图图2中展示的能够影响系统运行的参数可以以如下方式描述：光纤长度：光纤的能被精确测量的最大长度被定义为空间范围。它是由光纤中总的双向损耗以及包含的连接器以及光纤决定。最大光纤长度能够表示成： （4）其中表示光在真空中的传播速度，是脉冲周期，是纤芯折射率。由于以及的误差，空间范围近似等于，其中有的误差。空间分辨率和采样间隔：空间分辨率是指在温度与长度为坐标的图中温度从10%到90%分布的距离。DTS对于当地温度分布的反应是借助了这项参数的帮助。如果温度分布出现的区域小于DTS的空间分辨率，那么，所测温度将会小于实际温度。空间分辨率可以以如下公式计算： （5）其中是脉冲持续时间。采样间隔是指两个测量点之间的距离以及在光纤传感器上测量点的总数。在我们的测量中，采样间隔等于空间分辨率，它与仿真中的值相同。更小的采样间隔能够给出更准确的温度分布。温度分辨率：温度分辨率是指测量系统中的能够分辨的两个温度值之间最小的差异。测量时间：是指光纤传感器中获得一个特定分辨率的温度分布所需时间。其中包含了背散射的检测和处理过程。热响应时间：传感器回路的热响应时间取决于覆盖层和布线的结构的强度以及传感器回路和电缆导体之间热交换质量。通常情况下，光纤中的热响应时间小于0.5s。温度分辨率是测量系统最小温度分布的一个指标，而空间分辨率反映了DTS准确定位和测量的能力。空间分辨率是准确评估潜在热点的关键性因素。如果热点在光纤上占据的长度小于DTS仪器空间分辨率的话，将不会表明其真实幅度。多模阶跃折射率光纤可用于短空间和低空间分辨率的情况下，而多模梯度光纤以及单模光纤能用于长空间以及高分辨率的情况下。当选择好了波长，关于光源最重要的设计标准是激光的脉冲宽度以及峰值。在式5中，脉冲宽度决定着空间分辨率。峰值的重要性在于泵浦功率必须大于为发生受激拉曼散射阈值。阈值可由下式计算： （6）其中是拉曼增益常数，和分别是光纤的有效截面积和有效长度，可由下式计算： （7） (8)其中，是纤芯半径，表示频率，是泵浦光的绝对值，是光纤的长度。例如，一种光纤传感器的有效截面积为60和有效长度7.87km,，则其拉曼阈值为1.22W。我们的传感器系统的温度分辨率为C，空间分辨率为1.22m。源输去功率为3W，这大于2.45W的阈值。使用的系统在图2中展示，测量在分别在两个长度为126和412m的154kV的不同介质的电缆中进行。运用光纤DTS法在126m长的154kV电缆中所获取的温度分布如图3所示。在测试期的前16小时里电流通过电缆，我们持续探测电缆的温度分布48小时。图3中，图中区域、表示埋地电缆的温度分布，而、展示了管道中电缆的温度分布。在每一种情况下，电缆温度都不超过XLPE电缆的最高工作温度C，除了电缆被置于管道中的情况。埋地电缆的最高温度大约是C。图3 在长度为126m的154kV电缆中所获取的温度分布图在412m长的154kV XLPE电缆中所获取的温度分布如图4所示。在这个实验中，电缆的不同区域会形成不同的温度。图4中所展示的温度分布分辨率在C。图4 长度为412m的154kV XLPE电缆中所获取的温度分布图4. 模拟在高空间分辨率多模渐变折射率光纤或单模光纤传感器情况下，可以用以下公式描述来源于光纤z轴任何位置的拉曼斯托克斯功率，当在时间t（Z = 0）时刻脉冲发出后，输入功率为： （9）其中，是源功率，是真空中光的传播速度，是脉冲持续时间，是纤芯的反射率，是斯托克斯带的玻色 - 爱因斯坦的因子，为斯托克斯拉曼捕获系数，是斯托克斯波有效功率的衰减系数，是时间。与此相同的是，光纤z轴任何位置的拉曼反斯托克斯功率，当在时间t（Z = 0）时刻脉冲发出后，输入功率为： （10）其中，是反斯托克斯带的玻色 - 爱因斯坦的因子，为反斯托克斯拉曼捕获系数，是反斯托克斯波有效功率的衰减系数。式（9）和（10）中的和可以用下式计算： （11） （12）其中，是玻尔兹曼常数，是光纤的绝对温度，是拉曼散射的分子能级和之差。和可以表示为： （13） （14）其中，是波长为的激光在光纤中的脉冲激光的衰减系数，斯托克斯波长的激光在光纤中的脉冲激光的衰减系数，是反斯托克斯波长的衰减系数。不同波长的激光在多模渐变折射率光纤或单模光纤的衰减率在表1中给出。表一 不同波长的激光在多模渐变折射率光纤和单模光纤的衰减率在斯托克斯以及反斯托克斯波长在多模渐变折射率光纤或单模光纤捕获系数和在表2中被给出。表二 斯托克斯以及反斯托克斯不同波长下的捕获系数对于式（10）和式（9）做比，并进行简化，可得式（2）。通过OTDR法脉冲响应，温度能够被计算出来： （15）其中和是斯托克斯以及反斯托克斯脉冲响应，单模光纤的是。本节中对上述方程和表的详细信息，请参阅文献15。我们将分布式光纤温度传感器安装在一条长度为10km的154kV电缆上，并且用MATLAB进行模拟。在这些模拟中，背散射斯托克斯以及反斯托克斯信号和温度分布都被获得。单模光纤中使用波长为1320nm的源。要求的参数在表1和表2中给出：发射脉冲持续时间：=12.2ns脉冲激光的最大功率：=3W光纤长度：=10 000m空间分辨率（由式5计算得出）：=1.22m以1.22m的空间分辨率为基准，探测点的个数：在式（11）和式（12）的帮助下，和系数可以根据散射点的温度计算出来。通过表2中的数据，单模光纤的拉曼斯托克斯和反斯托克斯捕获系数为以及。在表1的帮助下，斯托克斯和反斯托克斯波长的有效功率衰减常数为。使用式（9）式（10）可以得出背散射的斯托克斯和反斯托克斯信号。斯托克斯和反斯托克斯信号中会掺入高斯噪声。为了获得电缆的温度分布，我们使用了式（15）。在编写长范围的电缆内分布式温度传感器测量的程序时，沿缆线会形成不同介质条件：电缆的连接点每1000m重复放置，第一个点是在第1000m的位置。在第2500m的位置电缆装入长20m的管中。在第3800m和6700m的位置与其他电缆交叉连接。在第5500m和7500m的位置把电缆装入长100m的管中，并且在5550m和7550m的位置与其他装在管中的电缆交叉连接。模拟出的154kV电缆温度分布在图5中展示出来。我们可以清楚的看到连接点、与其他电缆的交叉点以及管道中热点的的出现。不包括热点在内，平均温度大约在C。电缆连接点处的温度提高致C，但是最关键的温度增长，必须检测在与其他电缆交叉连接处以及被放置在管道中的的情况。可以通过对图5中关键部位的放大进行分析，其中的第一部分在图6中展示。图5 154kV电缆的温度分布模拟图图6 2500m处电缆置于管道的温度变化图正如图6中的展示，置于20m管中的电缆温度超过C。此温度与在我们测量短距离电缆的结果相吻合。无论如何，由于电缆的连接点原因，温度对于真实值而言仍然偏低。图5中第二个圈的部分在图7中被仔细检查。这个点表明了在5550m与其他管中电缆交叉出模拟电缆的温度分布。图7 5500m处置于100m长的管道中以及在5550m处与其他电缆交叉连接的温度变化图对比图6，在管道中温度超过了C，局部地方超过了C，这非常接近于在交叉点关键的C。温度的升高取决于电缆交叉点的高温相互作用以及管道的长度、直径以及导热情