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摘 要:介绍了分布式光纤测温技术工作原理及其监测系统,并介绍了在莱芜钢铁集团技改工程首次将分布式光纤温度监测系统实际应用于35kV电缆线路的情况。
关健词:分布式光纤;测温;电缆;应用
1、电缆现状
随着莱钢电网的飞速发展,电缆在电网中所占的比例正日益增长,目前莱芜钢铁集团电缆长度已近7000km,其中35/10kV及以上的电缆回路长度就达到1000km,并且主厂房比较分散,高低压配电间、桥架、隧道交叉处电缆密集。电缆的防火问题也日渐突出,为了有效地进行电缆防火,传统的方式是对这种场所的电缆裸露部分,绕包防火包带或加装防火槽盒等手段;在隧道、桥架中安装防火门,在有火情时通过关闭防火门来阻断火势蔓延;大型变电站内还安装了悬挂式超细干粉灭火装置或消防喷淋装置。但这些防火方式均为被动式的,根本无法了解电缆运行的实时状态。在研究测温技术的过程中,发现分布式光纤测温(Distributed Temperature Sensing,以下简称DTS)技术可以利用光纤作为传感器,将光纤直接敷设在被测物体表面,在一定条件下将被测物体各个位置的温度信号以光波的形式回传到光纤端部,最终被提取并显示出来。这种技术只需一根光纤就可以监测长达数公里的线型设备(电缆)或点式设备(电缆接头)。国外从20世纪80年代起开始研究这种先进的测温技术——分布式光纤测温法,在日本、德国等几个工业发达国家已有应用实例,并取得了良好的效果;目前,国内在这方面的研究应用已经达到国际先进水平,并且逐步大规模推广应用。
2、分布式光纤测温的工作原理
光纤温度测量技术于1981年由英国南安普敦大学提出,其基本原理是:向光纤中发射一个光脉冲后,光纤中的每一个单独的点都将后向散射一小部分光,这一后向散射光包含有斯托克斯光和反斯托克斯光。其中,斯托克斯光与温度无关,而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化,由反斯托克斯光与斯托克斯光之比与温度的定量关系,可得温度值T。光的时域反射技术是指激光在光纤中向前传播时不通光纤的背向拉曼散射光会返回光纤入射端的时间是不同的,通过区分时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。
2.1 分布式光纤温度传感系统
分布式光纤拉曼散射温度传感器系统DOFRTS(Distributed Optical Fiber RamanTemperature Sensor),是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统,一种用于实时测量空间温度场的高新技术,已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向拉曼散射的温度效应,光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射的强度(反斯托克斯背向拉曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号,再经信号处理、解调后将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示,从这一方面看,它是一种典型的光纤温度通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射OTDR(0ptical Time DomainReflection)技术对所测温度点定位,从这一方面看,它是一种典型的光纤激光温度雷达系统。分布式温度传感DTS(DistributedTempera—turSensing)技术是一种用于实时测量空间温度场分布的传感技术。该技术利用光时域反射OTDR原理、激光拉曼光谱原理,经波分复用器、光电检测器等对采集的温度信息进行放大并将温度信息实时地计算出来。目前,国外(主要是英国、日本等国)已利用激光拉曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品,而国内也在积极地开展这方面的研究工作,现已研制成功基于分布式光纤温度传感原理的一系列产品,可广泛应用在航空航天、石油测井、电力、冶金、煤矿等领域中。国内把分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的研究应用工作飞速发展。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、工作频率宽、动态范围大等特点,它能够连续测量光纤沿线各点的温度。据了解,目前国内外产品的测量距离可在1～30km范围内,空间定位精度达到1m之内,温度分辨率达到1℃。其能够进行不间断的自动测量的特点,特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。由于这种光纤传感技术采用的是普通光纤。因而,其在高压电力电缆载流量的动态计算(用缆芯温度间接反映)、长距离电缆接头处的温度监测以及电缆发生断线故障时断点位置的测量等场合具有广泛的应用前景。
2.2 光纤分布式温度传感原理
综合利用了光纤拉曼散射效应和光时域反射技术。
光纤拉曼散射效应是指激光在光纤中传输时,由分子热振动所导致的微弱激光散射现象。散射光中的拉曼散射光由波长稍短的斯托克斯光和波长稍长的反斯托克斯光组成。其中,斯托克斯光光强对光纤形变敏感,反斯托克斯光光强对光纤温度和形变均敏感,两种光光强的比值则能准确反映光纤的温度信息。光时域反射技术是指激光在光纤中前向传播时,不同光纤位置的背向拉曼散射光返回光纤入射端的时间是不同的,通过区分该时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。分布式温度传感原理框图见图所示。
分布式温度传感原理框图用公式来表达:当频率为 的激光入射到光纤中,它在光纤中向前传输的同时不断产生后向散射光波,这些后向散射光波中除了有一条与入射光频率相同的中心谱线之外,在其两侧,还存在着(v。一Δv)及(v。+Δv)的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线,低频一侧频率为((v。一△v))、波长为的谱线称为斯托克斯线(Stocks),高频一侧频率为(+△v)、波长为的谱线,称为反斯托克斯线(Antistokes)。根据拉曼散射理论,在自然拉曼散射条件下,两束反射光的光强与温度有关。为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响,提高测温准确度,在系统设计中,采用双通道双波长比较的方法,如图1所示,即对斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集,利用两者强度的比值解调温度信号。由于反斯托克斯光对温度更为灵敏,因此,将反斯托克斯光作为信号通道,斯托克斯光作为比较通道,则两者之间的强度比为:
式中:Is和Ia分别为斯托克斯和反斯托克斯光强;λs为斯托克斯光波长;λa为反斯托克斯光波长;h为普朗克常数为真空中的光速;是为玻尔兹曼常数c为人射光频率;T为绝对温度。从式(1)中可以看出,R(T)仅与温度T有关,而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。因此,借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值可以实现温度的测量。
2.3 光纤分布式测温的实现方法如图2所示的框图可用来实现上述的光纤分布式测温原理。
在同步控制单元的触发下,光发射机产生一大电流脉冲,该脉冲驱动半导体激光器产生大功率的光脉冲,并注入激光器尾纤中,从激光器尾纤输出的光脉冲要经过光路耦合器后进入一段放置在恒温槽中的光纤(用于系统标定),然后进入传感光纤。当激光在光纤中发生散射后,携带有温度信息的拉曼后向散射光将返回到光路耦合器中,光路耦合器不但可以将“发射机”产生的光脉冲直接耦合至传感光纤,而且还可以将散射回来的不同于发射波长的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由两个不同中心波长的光滤波器组成,它们分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光,两路光信号经过接收机进行光电转换和放大,然后由数据采集单元进行高速数据采样并转换为数字量,最后经过对信号进一步处理(提高信噪比),用于温度的计算。
因而,在测温系统标定后,通过测定R(T),利用已知温度 下的光强之比R(To),根据后向光波的传播时间,就可以确定沿光纤各测量点的温度值。
3、分布式光纤测温系统的实际应用
在莱钢板带厂变电站的双回路35kV桥架电缆敷设,还有电缆隧道,敷设环境变化较多。因此采用分布式光纤测温系统可以有效地对各种敷设环境的电缆温度进行监测,提供温度变化显示,除了火警预防外还可以提供长期的数据积累和分析。根据莱钢1500mm板带生产线高压电缆的实际情况,总共敷设四根测温光缆,单回长度约1km,每根光缆绑扎于每层电缆表面用于测量电缆表皮温度。在桥架中的敷设方式如图3所示。(图3见下页)
桥架中光纤的敷设方式监测系统是由莱钢设备供应处与济南品傲科技有限公司共同合作,考虑到扩展性,系统采用聚光科技公司有限公司DTS-2000控制单元。该系统最多可带8路光缆,每路最大可连接12km光缆。目前只利用4路共4km光缆。系统总体布局如图4所示:(图4见下页)
客户端软件采用Microsoft Visual Basic 6.0编写,本地后台数据库采用Microsoft Access。软件可进行整根光纤的温度曲线显示、也可以对每根光纤的任一固定点进行温度变化曲线查询、还可以进行远程光纤历史数据查询。选中某一条记录后,同样可以显示温度曲线,另外还可以进行报警日志查询。如图5所示:
4、总结
分布式光纤电缆温度监测系统采用国际领先的分布式光纤温度测量(DTS)技术,沿着电缆敷设探测光缆,就可以连续的得到沿着高压电缆每一点的温度信息,进而采用标准的电缆实时热模型可以得到电缆的动态载流量的情况,对于优化输配电线路输送容量和指导电力线路的扩容有重要的意义。另外可以进行实时的在线监测,同时对各个点的温度信息可以设置预警,减小突发事件的发生。根据温度可以确定电缆的负荷变化,合理地配置负荷,合理地扩大现有电缆的容量,增加电缆的工作寿命。这次通过对莱钢1500mm板带生产线高压电缆电缆的分布式光纤测温系统的首次运用,构成一个电缆在线测温系统,将可以有效地积累经验数据,分析记录在不同敷设方式和环境下的电缆的温度实际情况,为今后对电缆载流量、绝缘状况以及老化程度等的研究奠定基础,也将为今后的决策提供可靠依据莱钢“十一五”电网改造期间,将要建设改造厂区变电站以及承担电炉项目的建设及隧道、桥架超高压电缆工程,仅电炉项目就要安装上百公里电缆,而隧道、桥架电缆也有十几公里,可谓莱钢建设历史上重大工程。电力电缆的采购的艰巨任务,对技改设备处的干部与职工无疑是又一次新的机遇与挑战。我们将以意气风发、斗志昂扬的姿态,以不畏艰险、敢于攀登高峰的精神,去迎接前进道路上的各种艰难险阻,为公司可持续发展打下坚实的基础。
关健词:分布式光纤;测温;电缆;应用
1、电缆现状
随着莱钢电网的飞速发展,电缆在电网中所占的比例正日益增长,目前莱芜钢铁集团电缆长度已近7000km,其中35/10kV及以上的电缆回路长度就达到1000km,并且主厂房比较分散,高低压配电间、桥架、隧道交叉处电缆密集。电缆的防火问题也日渐突出,为了有效地进行电缆防火,传统的方式是对这种场所的电缆裸露部分,绕包防火包带或加装防火槽盒等手段;在隧道、桥架中安装防火门,在有火情时通过关闭防火门来阻断火势蔓延;大型变电站内还安装了悬挂式超细干粉灭火装置或消防喷淋装置。但这些防火方式均为被动式的,根本无法了解电缆运行的实时状态。在研究测温技术的过程中,发现分布式光纤测温(Distributed Temperature Sensing,以下简称DTS)技术可以利用光纤作为传感器,将光纤直接敷设在被测物体表面,在一定条件下将被测物体各个位置的温度信号以光波的形式回传到光纤端部,最终被提取并显示出来。这种技术只需一根光纤就可以监测长达数公里的线型设备(电缆)或点式设备(电缆接头)。国外从20世纪80年代起开始研究这种先进的测温技术——分布式光纤测温法,在日本、德国等几个工业发达国家已有应用实例,并取得了良好的效果;目前,国内在这方面的研究应用已经达到国际先进水平,并且逐步大规模推广应用。
2、分布式光纤测温的工作原理
光纤温度测量技术于1981年由英国南安普敦大学提出,其基本原理是:向光纤中发射一个光脉冲后,光纤中的每一个单独的点都将后向散射一小部分光,这一后向散射光包含有斯托克斯光和反斯托克斯光。其中,斯托克斯光与温度无关,而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化,由反斯托克斯光与斯托克斯光之比与温度的定量关系,可得温度值T。光的时域反射技术是指激光在光纤中向前传播时不通光纤的背向拉曼散射光会返回光纤入射端的时间是不同的,通过区分时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。
2.1 分布式光纤温度传感系统
分布式光纤拉曼散射温度传感器系统DOFRTS(Distributed Optical Fiber RamanTemperature Sensor),是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统,一种用于实时测量空间温度场的高新技术,已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向拉曼散射的温度效应,光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射的强度(反斯托克斯背向拉曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号,再经信号处理、解调后将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示,从这一方面看,它是一种典型的光纤温度通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射OTDR(0ptical Time DomainReflection)技术对所测温度点定位,从这一方面看,它是一种典型的光纤激光温度雷达系统。分布式温度传感DTS(DistributedTempera—turSensing)技术是一种用于实时测量空间温度场分布的传感技术。该技术利用光时域反射OTDR原理、激光拉曼光谱原理,经波分复用器、光电检测器等对采集的温度信息进行放大并将温度信息实时地计算出来。目前,国外(主要是英国、日本等国)已利用激光拉曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品,而国内也在积极地开展这方面的研究工作,现已研制成功基于分布式光纤温度传感原理的一系列产品,可广泛应用在航空航天、石油测井、电力、冶金、煤矿等领域中。国内把分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的研究应用工作飞速发展。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、工作频率宽、动态范围大等特点,它能够连续测量光纤沿线各点的温度。据了解,目前国内外产品的测量距离可在1～30km范围内,空间定位精度达到1m之内,温度分辨率达到1℃。其能够进行不间断的自动测量的特点,特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。由于这种光纤传感技术采用的是普通光纤。因而,其在高压电力电缆载流量的动态计算(用缆芯温度间接反映)、长距离电缆接头处的温度监测以及电缆发生断线故障时断点位置的测量等场合具有广泛的应用前景。
2.2 光纤分布式温度传感原理
综合利用了光纤拉曼散射效应和光时域反射技术。
光纤拉曼散射效应是指激光在光纤中传输时,由分子热振动所导致的微弱激光散射现象。散射光中的拉曼散射光由波长稍短的斯托克斯光和波长稍长的反斯托克斯光组成。其中,斯托克斯光光强对光纤形变敏感,反斯托克斯光光强对光纤温度和形变均敏感,两种光光强的比值则能准确反映光纤的温度信息。光时域反射技术是指激光在光纤中前向传播时,不同光纤位置的背向拉曼散射光返回光纤入射端的时间是不同的,通过区分该时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。分布式温度传感原理框图见图所示。
分布式温度传感原理框图用公式来表达:当频率为 的激光入射到光纤中,它在光纤中向前传输的同时不断产生后向散射光波,这些后向散射光波中除了有一条与入射光频率相同的中心谱线之外,在其两侧,还存在着(v。一Δv)及(v。+Δv)的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线,低频一侧频率为((v。一△v))、波长为的谱线称为斯托克斯线(Stocks),高频一侧频率为(+△v)、波长为的谱线,称为反斯托克斯线(Antistokes)。根据拉曼散射理论,在自然拉曼散射条件下,两束反射光的光强与温度有关。为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响,提高测温准确度,在系统设计中,采用双通道双波长比较的方法,如图1所示,即对斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集,利用两者强度的比值解调温度信号。由于反斯托克斯光对温度更为灵敏,因此,将反斯托克斯光作为信号通道,斯托克斯光作为比较通道,则两者之间的强度比为:
式中:Is和Ia分别为斯托克斯和反斯托克斯光强;λs为斯托克斯光波长;λa为反斯托克斯光波长;h为普朗克常数为真空中的光速;是为玻尔兹曼常数c为人射光频率;T为绝对温度。从式(1)中可以看出,R(T)仅与温度T有关,而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。因此,借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值可以实现温度的测量。
2.3 光纤分布式测温的实现方法如图2所示的框图可用来实现上述的光纤分布式测温原理。
在同步控制单元的触发下,光发射机产生一大电流脉冲,该脉冲驱动半导体激光器产生大功率的光脉冲,并注入激光器尾纤中,从激光器尾纤输出的光脉冲要经过光路耦合器后进入一段放置在恒温槽中的光纤(用于系统标定),然后进入传感光纤。当激光在光纤中发生散射后,携带有温度信息的拉曼后向散射光将返回到光路耦合器中,光路耦合器不但可以将“发射机”产生的光脉冲直接耦合至传感光纤,而且还可以将散射回来的不同于发射波长的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由两个不同中心波长的光滤波器组成,它们分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光,两路光信号经过接收机进行光电转换和放大,然后由数据采集单元进行高速数据采样并转换为数字量,最后经过对信号进一步处理(提高信噪比),用于温度的计算。
因而,在测温系统标定后,通过测定R(T),利用已知温度 下的光强之比R(To),根据后向光波的传播时间,就可以确定沿光纤各测量点的温度值。
3、分布式光纤测温系统的实际应用
在莱钢板带厂变电站的双回路35kV桥架电缆敷设,还有电缆隧道,敷设环境变化较多。因此采用分布式光纤测温系统可以有效地对各种敷设环境的电缆温度进行监测,提供温度变化显示,除了火警预防外还可以提供长期的数据积累和分析。根据莱钢1500mm板带生产线高压电缆的实际情况,总共敷设四根测温光缆,单回长度约1km,每根光缆绑扎于每层电缆表面用于测量电缆表皮温度。在桥架中的敷设方式如图3所示。(图3见下页)
桥架中光纤的敷设方式监测系统是由莱钢设备供应处与济南品傲科技有限公司共同合作,考虑到扩展性,系统采用聚光科技公司有限公司DTS-2000控制单元。该系统最多可带8路光缆,每路最大可连接12km光缆。目前只利用4路共4km光缆。系统总体布局如图4所示:(图4见下页)
客户端软件采用Microsoft Visual Basic 6.0编写,本地后台数据库采用Microsoft Access。软件可进行整根光纤的温度曲线显示、也可以对每根光纤的任一固定点进行温度变化曲线查询、还可以进行远程光纤历史数据查询。选中某一条记录后,同样可以显示温度曲线,另外还可以进行报警日志查询。如图5所示:
4、总结
分布式光纤电缆温度监测系统采用国际领先的分布式光纤温度测量(DTS)技术,沿着电缆敷设探测光缆,就可以连续的得到沿着高压电缆每一点的温度信息,进而采用标准的电缆实时热模型可以得到电缆的动态载流量的情况,对于优化输配电线路输送容量和指导电力线路的扩容有重要的意义。另外可以进行实时的在线监测,同时对各个点的温度信息可以设置预警,减小突发事件的发生。根据温度可以确定电缆的负荷变化,合理地配置负荷,合理地扩大现有电缆的容量,增加电缆的工作寿命。这次通过对莱钢1500mm板带生产线高压电缆电缆的分布式光纤测温系统的首次运用,构成一个电缆在线测温系统,将可以有效地积累经验数据,分析记录在不同敷设方式和环境下的电缆的温度实际情况,为今后对电缆载流量、绝缘状况以及老化程度等的研究奠定基础,也将为今后的决策提供可靠依据莱钢“十一五”电网改造期间,将要建设改造厂区变电站以及承担电炉项目的建设及隧道、桥架超高压电缆工程,仅电炉项目就要安装上百公里电缆,而隧道、桥架电缆也有十几公里,可谓莱钢建设历史上重大工程。电力电缆的采购的艰巨任务,对技改设备处的干部与职工无疑是又一次新的机遇与挑战。我们将以意气风发、斗志昂扬的姿态,以不畏艰险、敢于攀登高峰的精神,去迎接前进道路上的各种艰难险阻,为公司可持续发展打下坚实的基础。