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分布式光纤测温系统在电力系统中的应用

2014-03-23 07:07
苏子言岁月
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  一、引言

  随着我国经济的发展,电力系统正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向发展,一旦发生事故便会对国民经济造成巨大损失。如何对正在运行的电力设备进行在线监测并进行安全预测和温度变化趋势分析?如何通过实时数据对设备质量、运行环境、运行方式、设备老化、负荷不平衡等进行科学分析?这些都是电力系统中迫切需要解决的问题。传统的红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、热电阻式测温系统等只能对电力系统的局部位置进行测温,无法为安全、经济运行、高效检修提供科学依据。而分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测量,实现了运行设备的实时在线监测,有效地解决了长期以来现场出现的高温、燃烧、爆炸、火灾等事故应急不备的问题。在电力系统中,这种光纤测温技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良引起的发热部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

  二、分布式光纤测温的基本原理

  分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种:基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟,且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射(OTDR)原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。

  (一)光时域反射(OTDR)原理

  当激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生散射。在时域里,入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L,其中v为光在光纤中的传播速度、C为真空中的光速,n为光纤折射率。在测得时刻t时,就可求得距光源L处的距离。

  (二)光纤的后向拉曼散射温度效应

  当一个激光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个光脉冲会沿着光纤向前传播。由于光脉冲与光纤内部分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞,故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射,反射中有一小部分的反射光,其方向正好与入射光的方向相反(亦可称为后向)。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点光纤所处的环境温度)越高,反射光的强度也越大。利用这个现象,若能测出后向反射光的强度,就可以计算出反射点的温度,这就是利用光纤测量温度的基本原理。

  如用公式来表达:当激光脉冲在光纤中传播时与光纤分子相互作用,会发生瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射,其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。如果一部分光能转换成热振动,那么将发出一个比光源波长长的光,称为斯托克斯光;如果一部分热振动转换为光能,那么将发出一个比光源波长短的光,称为反斯托克斯光。根据拉曼散射理论,在自发拉曼散射条件下,两束反射光的光强与温度有关,它们的比值R(T)为:

  (1)其中,和分别是斯托克斯光强和反斯托克斯光强,h为普朗克常数,k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度。从(1)式中可以看出,R(T)仅与温度T有关。因此,我们可以借助反斯托克斯与斯托克斯光强之比来实现温度的测量。

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