電纜隧道光纖在線溫度監測裝置的製作方法

2023-11-09 05:23:32 1

專利名稱：電纜隧道光纖在線溫度監測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是供電網絡在線檢測技術，更詳細地講是關於供電網絡、石油管網、隧道、大壩及大型設備中對管路、電纜進行實時監測的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置。
背景技術：
由於高壓電カ電纜鋪設於地下，長時間運行後檢修常常不到位，再加上環境溫度等因素的影響，部分有缺陷的位置往往會發熱，並且電流越大，溫度升高越快，發熱點電阻増大，從而產生更多的熱量，使得電阻進一歩増大，溫度繼續升高，形成惡性循環。如果不及時發現和處理，最終將導致起火或爆炸，造成線路損壞，嚴重的可引發火災和大面積的停電·事故。這ー現象在負荷增長較快的地區顯得尤為普遍。
·[0003]目前，對電カ電纜的重要部位如接頭等的溫度監測主要仍靠人工去測量，例如定期派人到現場用紅外線或雷射測溫儀進行遠距離測量，這種人工測量的方法主要存在以下問題①監測周期長，許多地方發熱現象得不到及時發現和處理；②監測範圍受限制，只能檢測電纜接頭，無法對封閉在管道裡的電カ電纜部分進行監測；③檢測和分析判斷由人工進行，因此檢測和分析結果受人為因素影響較大紅外線或雷射測溫儀價格往往比較昂貴，受資金影響，其普及和推廣難度較大。近年來，ABB、西門子及國內ー些生產廠家也陸續開發出了ー些高壓電カ電纜溫度監測設備，但從應用情況來看，效果不好，主要表現在以下幾個方面①高電壓的隔離是高壓電カ電纜溫度監測系統的技術難點也是技術關鍵。現有的溫度監測方法主要採用熱電耦、熱電阻、半導體溫度傳感器等溫度傳感元件實現，這些溫度傳感器一般都不是直接測量帶電物體的溫度，並且需要通過金屬導線傳輸信號，傳感器本身以及其信號傳輸通道受電磁幹擾和環境的影響較大，無法保證絕緣性能，因而無法保證監測結果的準確性；②傳統的溫度監測普遍存在傳感器體積偏大、安裝困難、易受環境和周圍電磁場的幹擾、需人工操作、實現在線監測的成本高昂等問題，尤其無法在整條電カ電纜上安裝，只能實現ー小部分電カ電纜的部分接頭的溫度監測，無法實現全部電カ電纜的系統、全面、準確監測；③現有的電カ電纜溫度監測系統或設備，絕大部分是電カー次設備生產廠家開發出的針對自己產品的監測設備，功能単一，通用性差，執行標準混亂，並且與變電綜合自動化等監控系統接ロ困難，很難進行普及和推廣。
發明內容本發明提供了一種能消除上述缺點，具有結構合理、操作簡單、安全可靠、監測及時、判斷準確、成本低、效率高、穩定性好等特點的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置，尤其是採用先進的光時域反射技術和喇曼散射光對溫度敏感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度的變化，提高了監測結果的準確性和通用性，實現電カ電纜的系統、全面和準確的監測；採用傳感光纖作探測器，從根本上消除了環境和電磁幹擾對測量結果的影響，具備防爆、防雷、防腐蝕、抗電磁幹擾等優點，可用於高壓電纜、皮帶機、石油、管道洩漏、隧道火災探測、大壩安全監測等。該系統採集的溫度信息通過光信號傳輸，不受電磁幹擾，防潮溼，傳輸距離長，損耗小，也易擴展；是理想的供電網絡中對電カ電纜進行實時監測的電纜隧道光纖在線溫度監測專用配套裝置。本實用新型的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置包括光路耦合器，光路耦合器分別與BBS、光濾波器和恆溫槽相連接，其中，恆溫槽與連接到隧道電纜的傳感光纖相連接，光濾波器與光接收機相連接，光接收機與數據採集與處理模塊相連接，數據採集與處理模塊與計算機相連接，BBS與計算機相連接。所述BBS包括半導體雷射器，BBS通過雷射器尾纖與光路耦合器連接，BBS在計算機控制下輸出光脈衝。所述光路耦合器是輸入端接收BBS輸出的光脈衝，其輸出連接恆溫槽，通過恆溫槽將光脈衝輸出傳送至傳感光纖。所述光路耦合器是將傳感光纖散射回來的喇曼散射光耦合至光濾波器，經光濾波器從喇曼散射光中濾出斯託克斯光和反斯託克斯光，由光接收機接收斯託克斯光和反斯託克斯光，並進行光電轉 換和放大處理，輸出處理後的信號，該信號由數據採集與處理模塊進行採樣和處理，經計算機計算出溫度。該系統原理是利用光纖的光時域反射儀原理和光纖的後向喇曼散射溫度效應，即當ー個光脈衝從光纖的一端射入光纖時，這個光脈衝會沿著光纖向前傳播；在傳播中的每一點都會產生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反；這種後向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的關係；也就是說，後向反射光的強度可以反映出反射點的溫度；利用測量出後向反射光的強度，計算出反射點的溫度。所述BBS(指的是「光源」，即「發光設備」)用於在計算機控制下輸出光脈衝；所述光路耦合器用於接收所述BBS輸出的光脈衝，輸出給恆溫槽；所述恆溫槽用於將所述光脈衝輸出給傳感光纖；所述光路耦合器用於將所述傳感光纖散射回來的喇曼散射光耦合至光濾波器；所述光濾波器用於從所述喇曼散射光中濾出斯託克斯光和反斯託克斯光；所述光接收機分別用於接收所述斯託克斯光和反斯託克斯光，並進行光電轉換和放大處理，輸出處理後的信號；所述數據採集與處理模塊用於對所述光接收機輸出的信號進行採樣和處理，輸出處理後的數據信號；所述計算機用於根據所述數據採集與處理模塊輸出的數據信號，計算出溫度。進ー步的，所述BBS還包括半導體雷射器，所述BBS通過雷射器尾纖與所述光路耦合器連接。該系統所依據的基本原理是分布式光纖溫度傳感原理，其主要利用光纖的光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer,簡稱0TDR)原理和光纖的後向喇曼散射(Raman scattering)溫度效應。具體地說，當ー個光脈衝從光纖的一端射入光纖時，這個光脈衝會沿著光纖向前傳播。因光纖內壁類似鏡面，故光脈衝在傳播中的每一點都會產生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反。這種後向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的關係。反射點的溫度(光纖所處的環境溫度)越高，反射光的強度也越大。也就是說，後向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。利用這個現象，若能測量出後向反射光的強度，就可以計算出反射點的溫度，這是利用光纖測量溫度的基本原通。本實用新型提供的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置，採用先進的光時域反射技術和喇曼散射光對溫度敏感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度的變化，提高了監測結果的準確性和通用性，實現了電カ電纜的系統、全面和準確的監測。

圖I :電纜隧道光纖在線溫度監測裝置結構示意圖圖2 :圖I中喇曼散射頻移示意圖圖中11_BBS、12-光路耦合器、13-恆溫槽、14-光濾波器15-光接收機、16-數據採集與處理模塊、17-計算機。
具體實施方式
以下結合附圖進ー步說明本實用新型的結構 如圖所示的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置實現溫度監測功能所依據的基本原理該系統所依據的基本原理是分布式光纖溫度傳感原理，其主要利用光纖的光時域反射儀(Optical Time Domain Ref lectometer,簡稱0TDR)原理和光纖的後向喇曼散射(Raman scattering)溫度效應。具體地說，當ー個光脈衝從光纖的一端射入光纖時，這個光脈衝會沿著光纖向前傳播。因光纖內壁類似鏡面，故光脈衝在傳播中的每一點都會產生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反。這種後向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的關係。反射點的溫度(光纖所處的環境溫度)越高，反射光的強度也越大。也就是說，後向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。利用這個現象，若能測量出後向反射光的強度，就可以計算出反射點的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原通。圖2為本發明中喇曼散射頻移示意圖。當頻率為VO的雷射入射到光纖中，它在光纖中向前傳輸的同時不斷產生後向散射光波，這些後向散射光波中除了有一條與入射光頻率VO相同的中心譜線之外，在其兩側還存在著(vO-A V)及(vO+A V)兩條譜線。其中中心譜線為瑞利散射譜線，低頻ー側頻率為(vO-A V)、波長為Xs的譜線稱為斯託克斯(Stokes)線，參見圖I中的D,高頻ー側頻率為(vO+A V)、波長為入a的譜線,稱為反斯託克斯(Anti-stokes)線，參見圖I中的C。另外，圖I中的A為入射信號線，B為布裡淵散射線。根據喇曼散射理論，在自然喇曼散射條件下，兩束反射光的光強與溫度有夫。為了消除雷射管輸出的不穩定性、光纖彎曲、接頭的損耗等影響，提高測溫準確度，在系統設計中，採用雙通道雙波長比較的方法，如圖I所示，即對斯託克斯光和反斯託克斯光分別進行採集，利用兩者強度的比值解調溫度信號。由於反斯託克斯光對溫度更為靈敏，因此，將反斯託克斯光作為信號通道，斯託克斯光作為比較通道，則兩者之間的強度比為R(T) = !-f =(I)在公式(I)中，入s和Xa分別為斯託克斯光和反斯託克斯光的波長；h為普朗克常數為真空中的光速；k為玻爾茲曼常數；V0為入射光頻率；T為絕對溫度。從公式(I)中可以看出，R(T)與溫度T有關，而與光強、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關。因此，藉助探測反斯託克斯及斯託克斯後向喇曼散射光強之比值可以實現溫度的測量。另外，利用OTDR技木，還可以根據雷射後向散射信號在光纖中的損耗來監測光纖的故障點和斷點的位置，進而獲知電纜斷線的有關信息。其中喇曼散射是由於光纖分子的熱振動，它會在光纖每點產生ー個比BBS波長長的斯託克斯光和ー個比BBS波長短的反斯託克斯光，光纖受外部溫度影響，光纖中的反斯託克斯光強發生變化，通過測量喇曼散射光的頻移、斯託克斯光強Is和反斯託克斯光強Ia，經正交化處理以消除非溫度效應如光纖老化衰減和扭曲變形等影響，可以計算出被測量點的溫度。根據發射入射脈衝光和接收到喇曼散射光的時間差可以標定光纖長度，實現被測量點的定位。假設雷射脈衝輸入光纖後經過ti秒後在入射端檢測到從斷面i產生的喇曼散射光，則斷面i與入射端的距離Xi為xi=c ti/2n上式中，c為光在真空中的傳播速度；n為光纖介質的折射率。根據上述測試原理，本發明提供了一種電纜隧道光纖在線溫度監測系統。圖2為 本發明提供的電纜隧道光纖在線溫度監測系統ー實施例的結構示意圖。如圖I所示，該系統包括光路耦合器12，光路耦合器12分別與BBS11、光濾波器14和恆溫槽13相連接；所述恆溫槽13與連接到隧道電纜的傳感光纖相連接，所述光濾波器14與光接收機15相連接，所述光接收機15與數據採集與處理模塊16相連接，數據採集與處理模塊16與計算機17相連接；所述BBSll還與所述計算機17相連接BBSll用於在計算機17的控制下輸出光脈衝；光路耦合器12用於接收BBSll輸出的光脈衝，輸出給恆溫槽13 ;恆溫槽13用於將光脈衝輸出給傳感光纖。光路耦合器12還用於將傳感光纖散射回來的喇曼散射光耦合至光濾波器14 ;光濾波器14用於從喇曼散射光中濾出斯託克斯光和反斯託克斯光；光接收機15用於接收斯託克斯光和反斯託克斯光，並進行光電轉換和放大處理，輸出處理後的信號；數據採集與處理模塊16用於對光接收機15輸出的信號進行採樣和處理，輸出處理後的數據信號；計算機17用於根據數據採集與處理模塊16輸出的數據信號，計算出溫度。進ー步的，BBSll還包括半導體雷射器，BBSll通過雷射器尾纖與光路耦合器12連接。具體地說，在計算機17的控制下，BBS產生一大電流脈衝，該電流脈衝驅動半導體雷射器產生大功率的光脈衝，並注入雷射器尾纖中，從雷射器尾纖輸出的光脈衝要經過光路耦合器12後進入一段放置在恆溫槽13中的光纖(用於系統標定)，然後進入傳感光纖。當雷射在傳感光纖中發生散射後，攜帯有溫度信息的喇曼後向散射光將返回到光路耦合器12中，光路耦合器12不但可以將BBSll產生的光脈衝直接耦合至傳感光纖，而且還可以將散射回來的不同於發射波長的喇曼散射光耦合至光濾波器14。光濾波器14濾出斯託克斯光和反斯託克斯光，兩路光信號經過光接收機15時進行光電轉換和放大，然後由數據採集與處理模塊16進行高速數據採樣並轉換為數字量，最後經過對信號進ー步處理(提高信噪比)，送入計算機17進行溫度的計算。根據公式(I)可以得到每=の+4ln(全)](2)[0032]對於固定的溫度(恆溫槽標定溫度力"' )，則有
權利要求1.一種電纜隧道光纖在線溫度監測裝置，其特徵在於該系統包括光路耦合器，光路耦合器分別與BBS、光濾波器和恆溫槽相連接，其中，恆溫槽與連接到隧道電纜的傳感光纖相連接，光濾波器與光接收機相連接，光接收機與數據採集與處理模塊相連接，數據採集與處理模塊與計算機相連接，BBS與計算機相連接。
2.如權利要求I所述的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置，其特徵在於所述BBS包括半導體雷射器，BBS通過雷射器尾纖與光路稱合器連接，BBS在計算機控制下輸出光脈衝。
3.如權利要求I或2所述的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置，其特徵在於所述光路耦合器是輸入端接收BBS輸出的光脈衝，其輸出連接恆溫槽，通過恆溫槽將光脈衝輸出傳送至傳感光纖。
4.如權利要求I或2所述的電纜隧道光纖在線溫度監測裝置，其特徵在於所述光路耦合器是將傳感光纖散射回來的喇曼散射光耦合至光濾波器，經光濾波器從喇曼散射光中濾出斯託克斯光和反斯託克斯光，由光接收機接收斯託克斯光和反斯託克斯光，並進行光電轉換和放大處理，輸出處理後的信號，該信號由數據採集與處理模塊進行採樣和處理，經計算機計算出溫度。
專利摘要電纜隧道光纖在線溫度監測裝置包括光路耦合器，光路耦合器分別與BBS、光濾波器和恆溫槽相連接，其中，恆溫槽與連接到隧道電纜的傳感光纖相連接，光濾波器與光接收機相連接，光接收機與數據採集與處理模塊相連接，數據採集與處理模塊與計算機相連接，BBS與計算機相連接。具有結構合理、操作簡單、安全可靠、監測及時、判斷準確等特點。採用先進的光時域反射技術和喇曼散射光對溫度敏感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度的變化，提高了監測結果的準確性和通用性，實現電力電纜的系統、全面和準確的監測，從根本上消除了環境和電磁幹擾對測量結果的影響，是理想的供電網絡中對電力電纜進行實時監測的電纜隧道光纖在線溫度監測專用配套裝置。
文檔編號G01K11/32GK202420711SQ20112050257
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月6日 優先權日2011年12月6日
發明者翔 時, 李濤, 武志剛, 畢建鑫, 江川, 牟磊, 王興照, 王澤眾, 王鵬, 趙生傳, 郭建豪, 陳志勇, 韓克存, 齊蔚海 申請人:山東電力集團公司青島供電公司