光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用
高压开关触头温度实时监测技术的分析
本文有线测温系统指的是光纤测温系统，分布式光纤测温原理图见图4。
图4分布式光纤测温系统原理图
由于光纤探头小，采用光学原理的传感器件和光信号传输通道，有着良好的电磁不敏感性，传感器尺寸小，可靠稳定，易于在狭小的高压设备内部安装，如开关柜中的动、静触头结合处。能很好地适应高压和大电流的检测环境，从根本上解决电类、压力类及红外测温系统的缺陷，构成光纤传感器测温探头的材料绝缘性能、化学和机械性能极佳，特别适合应用于高压环境，不会给大系统带来负面影响。
图1红外测温系统原理图
2.2无线测温系统
无线测温系统将采集到的温度信号，通过无线传输的方式，发送至接收装置，实现强弱电信号的有效隔离，其原理图见图2。该方式易于实现高、低压物理隔离，易于安装，测量精度满足开关设备要求。
图2无线测温原理图
根据无线测温传感器供电方式，分为电池供电的无线测温传感器、太阳能电池板供电和自取能无线测温传感器，见图3。
图3无线测温供电方式
由于电池不能耐受高温且隔几年需要更换电池，不适合结构紧凑封闭且环境温度较高的智能开关设备中，但适合户外的安装结构不受限制的敞开式开关设备；抗干扰能力较弱。
自取能的无线测温传感器，需考虑一次开关设备的绝缘要求，设计不同规格的取能线圈，以满足不同工作电流、不同直径圆形触臂和其他形状的要求。较电池供电的测温方式，该方式在开关柜测温中得到较好的应用。
关键词：高压开关；触头温度；监测技术；光纤测温
引言
经济的高速发展促进着现代电力朝着智能化方向不断发展。智能化电网的搭建，对构成电网的基本元素如开关设备的智能化就显得十分重要。开关设备的智能化，就是对开关设备的运行状态进行在线监测，通过对设备的在线监测，对其发生异常做出及时的反应，达到电网智能化。
光纤温度传感器
光纤温度传感器一、引言光纤温度传感器是一种利用光纤作为传感元件的温度检测设备。
光纤温度传感器的工作原理是基于光纤敏感元件对温度变化的响应，通过测量光纤中的光信号参数来实现对温度的监测和测量。
光纤温度传感器具有结构简单、抗干扰能力强、长距离传输等特点，在工业、科研等领域得到了广泛应用。
二、工作原理光纤温度传感器的工作原理主要基于光纤的热光效应和光纤长度的温度特性。
当光纤受到温度变化时，光纤的折射率会发生变化，从而引起光纤中光信号参数的变化。
利用这种变化，通过检测光信号的特定参数，可以实现对温度的监测和测量。
三、应用领域光纤温度传感器在温度监测领域有着广泛的应用。
其应用领域包括但不限于：1.工业领域：光纤温度传感器可用于工业生产中对温度的监测和控制，如对炉温、熔炼温度等进行实时监测。
2.科研领域：在科研实验中，光纤温度传感器可以准确地监测实验环境中的温度变化，为科学研究提供数据支持。
3.环境监测：光纤温度传感器也可以用于环境温度监测，如对水体温度、土壤温度等的监测。
四、发展趋势随着科学技术的不断发展，光纤温度传感器在精度、便携性、应用范围等方面都将不断提升。
未来，光纤温度传感器有望在医疗、航天等领域得到更广泛的应用，为各行各业提供更为精准和高效的温度监测解决方案。
五、结论光纤温度传感器作为一种新型的温度检测设备，具有结构简单、抗干扰性强等优点，为工业、科研、环境监测等领域提供了实时、准确的温度监测方案。
未来随着技术的不断创新，光纤温度传感器的应用范围将进一步扩大，为人类社会的发展进步带来更多便利和可靠性。
光纤测温系统方案
光纤测温系统方案1. 引言光纤测温是一种通过光纤传感器实时测量温度的技术。
它在工业、科研和安全等领域都有广泛的应用。
本文将介绍光纤测温系统的基本原理、设计方案和应用案例。
2. 原理光纤测温系统基于光纤传感器的工作原理，通过利用光纤的光学特性实现温度测量。
光纤传感器是通过在光纤中引入一种对温度敏感的材料，当材料受到热胀冷缩或热导率改变等影响时，会导致光纤本身的光学特性发生变化。
通过测量光纤传感器光学特性的变化，可以推算出温度值。
3. 设计方案光纤测温系统的设计方案包括传感器的选择、信号采集和处理、以及数据显示和存储等部分。
3.1 传感器选择传感器是光纤测温系统的核心组成部分，选择合适的传感器对系统的测温准确性和稳定性至关重要。
常见的光纤传感器包括光纤布拉格光栅传感器和光纤拉曼散射传感器。
根据具体的应用需求选择合适的传感器类型。
3.2 信号采集和处理光纤传感器采集到的光学信号需要经过适当的处理才能得到温度值。
典型的处理方法包括光谱分析、频率调制和光强测量等。
根据传感器的特性和测量要求选择合适的信号处理方法，并设计相应的电路和算法实现信号的采集和处理。
3.3 数据显示和存储光纤测温系统需要将测量到的温度数据进行显示和存储。
可以使用液晶显示屏或计算机界面显示温度数据，并利用存储设备如硬盘或SD卡等保存数据。
在设计数据存储方案时，需要考虑数据量、存储空间和数据安全等因素。
4. 应用案例光纤测温系统在很多领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用案例：4.1 工业控制光纤测温系统可以在工业过程中实时测量温度，用于监控和控制生产过程。
它可以帮助调整工艺参数，提高生产效率和产品质量。
4.2 石油化工在石油化工领域，光纤测温系统可以用于实时监测和控制管道温度、储罐温度等。
它可以帮助预防事故和保障设备安全运行。
4.3 动力系统在动力系统中，光纤测温系统可用于监测发电机、变压器和输电线路等的温度。
基于测得的温度数据，可以优化系统运行并提前发现故障。
高压输电线路故障诊断与在线监测技术研究
高压输电线路故障诊断与在线监测技术研究随着电力系统的不断发展和电力需求的增加，高压输电线路的安全运行成为电力行业亟待解决的问题。
由于高压输电线路的特殊工况和复杂环境，线路故障诊断与在线监测技术的研究和应用变得尤为重要。
本文将对高压输电线路故障诊断与在线监测技术的研究现状进行分析，并探讨其应用前景和发展方向。
一、高压输电线路故障诊断技术的现状高压输电线路故障诊断技术是指通过对线路工作状态、参数及故障特征进行监测和分析，来判断线路是否存在故障，并对故障进行准确定位和诊断的技术方法。
目前，高压输电线路故障诊断技术主要包括红外热像技术、故障信号处理技术、人工智能技术等。
（一）红外热像技术红外热像技术是一种通过测量物体辐射的红外辐射能量，并将其转化为热像图像的技术方法。
在高压输电线路故障诊断中，红外热像技术可以快速检测线路存在的异常温度现象，如热点、松动、接触电阻等故障，从而准确判断线路是否存在故障，并辅助进行故障的定位和诊断。
（二）故障信号处理技术故障信号处理技术是一种通过采集、分析和处理线路故障产生的电信号实现故障诊断的技术方法。
通过对故障信号的振动、电流、电压、电磁等特征参数进行监测和分析，可以准确判断线路是否存在故障，并实现故障的定位和诊断。
（三）人工智能技术人工智能技术是一种通过计算机仿真和模拟人类智能行为和思维过程的技术方法。
在高压输电线路故障诊断中，人工智能技术可以通过建立合理的数学模型和算法，实现对线路故障的智能识别和判断。
例如，利用人工神经网络和遗传算法等方法，可以对线路的异常电流和电压进行预测和分析，从而实现对线路故障的准确诊断和定位。
二、高压输电线路在线监测技术的现状高压输电线路在线监测技术是指通过对线路运行状态和参数的实时监测，来判断线路运行是否正常，并预测线路可能出现的故障的技术方法。
目前，高压输电线路在线监测技术主要包括光纤测温技术、振动监测技术、电流监测技术等。
（一）光纤测温技术光纤测温技术是一种利用光纤传感器对线路温度进行实时监测的技术方法。
关于高压开关柜无线测温系统的方案
关于高压开关柜无线测温系统的方案开关柜无线测温系统由无线温度传感器、测温数据采集终端和监测系统服务器三部分组成。
系统结构图：一.无线温度传感器原理:接收无线温度传感器发送的温度数据和对应传感器编号，存储在其内部存储器中。
当收到温度监测工作站的通信命令后把各传感器的编号和温度测量数据进行上送。
测温数据采集终端自动与无线传感器建立通信联系，能够接收视距半径约200米范围内所有无线传感器发出的温度数据。
安装方式:在高压室内部安装无线测温接收终端，与无线传感器之间利用433MHZ无线技术完成温度数据采集工作，无线测温接收终端通过网线、光纤或直接通过GPRS移动网络传输至升压站主控室，再转换到电脑上显示。
二.测温数据采集终端原理:在每个监测点上安装一个传感器。
其主要工作原理为：前端温度探头直接和监测点接触进行感温，探头的输出经过A/D转换部分，将温度信号转换成数字信号，通过无线方式传递给测温数据采集终端。
每个无线温度传感器具有的编号，实际安装使用时需要记录每个传感器的安装地点，并与编号一起存入温度监测工作站计算机数据库中。
传感器使用工业专用电池供电，供电时间为5-6年。
三.服务器端监测系统主控室内设立一个温度监测工作站，主要是一台PC计算机，该计算机经RS485通信接口转换器与测温数据采集终端连接。
计算机从测温数据采集终端采集各监测点的运行温度数据，在数据库中作长期保存，实时显示监测点的温度变化曲线，并进行分析，一旦发现温度过热、或急剧升温立即报警软件主要功能：1、定时读取从采集终端中收集的温度和ID数据，并写入本地硬盘中作长期保存。
对数据进行处理、维护，异常报警，以及温度变化趋势分析。
2、实时、直观的观察到发热点运行温度的变化情况。
3、对现场检测到的数据，自动生成触头等发热点指定时间段的温度变化趋势、历史事件统计，以及所需要的曲线图和图表。
4、对所检测到的数据进行分析，提前预知和判断以后多少天内发热点故障并形成报表，并详细显示故障点的位置并打印报表。
荧光式光纤测温系统在高压开关柜的应用
荧光式光纤测温系统在高压开关柜的应用
邱云兰;徐志保;蔡雪香
【期刊名称】《福建电脑》
【年(卷),期】2016(000)001
【摘要】针对当前电力系统高压开关柜在线温度测量特点和趋势，提出了一种新
型方案———荧光式光纤测温系统。
本文从荧光式光纤测温机理出发，阐述了系
统的的设计过程、安装方式和使用效果。
相比于现有的多种高压开关柜柜测量方法，该方案有绝缘好、响应快、精度高、安装方便，可实现真正意义上的在线测量。
据此设计出的测温系统已经在实际中获得成功应用。
【总页数】3页(P18-20)
【作者】邱云兰;徐志保;蔡雪香
【作者单位】福建电力职业技术学院机电工程系福建泉州 362000;福建电力职业技术学院机电工程系福建泉州 362000;福建电力职业技术学院机电工程系福建
泉州 362000
【正文语种】中文
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光纤传感器的原理和应用
光纤传感器的原理和应用光纤传感器是一种利用光纤作为传感器的基础元件，通过光的波导和传输特性来感知和测量环境参数的器件。
它具有高灵敏度、宽测量范围、抗干扰能力强等特点，在工业、医疗、环境监测等领域有广泛的应用。
本文将详细介绍光纤传感器的工作原理以及其在不同应用领域中的具体应用。
一、光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理基于光的传输和波导特性。
它利用光纤的高折射率和内部的光波导效应，将入射的光信号沿着光纤进行传输，并通过测量光信号的改变来获得环境参数的相关信息。
1. 光纤传感器的结构光纤传感器由光纤、光源、检测器和信号处理器组成。
光源产生光信号，通过光纤传输到检测器上，检测器接收到光信号并转换为电信号，再经过信号处理器进行放大、滤波和数字化处理。
2. 光纤的传输特性光纤传感器利用光纤的传输特性进行环境参数测量。
一般来说，光纤的折射率会随着环境参数的变化而改变，例如温度、压力、应变等。
通过测量光信号在光纤中的传播时间、相位差、幅度变化等参数，可以确定环境参数的数值。
3. 光纤传感器的工作原理光纤传感器根据不同的测量原理可以分为多种类型，例如光纤布拉格光栅传感器、光纤衍射光栅传感器、光纤受限传感器等。
这些传感器利用光纤的特殊结构和波导特性，通过测量光信号的衰减、干涉、散射等变化来获得环境参数的相关信息。
二、光纤传感器的应用光纤传感器具有高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强等优势，在多个领域中得到了广泛的应用。
1. 工业应用光纤传感器在工业领域中被广泛应用于压力、温度、湿度等参数的测量。
例如，光纤布拉格光栅传感器可以用于监测桥梁、管道等结构的应变变化，以及测量机械设备中的应力分布情况。
光纤传感器还可以用于燃气、液体等介质的检测和监测。
2. 医疗应用光纤传感器在医疗领域中的应用较多，例如用于血氧饱和度监测、生物体内脉搏测量、呼吸检测等。
由于光纤传感器具有非接触式测量的特点，可以大大提高患者的舒适度和安全性。
3. 环境监测光纤传感器在环境监测中起到重要的作用。
光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用
光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用摘要：锅炉受热面管壁的温度测量是保证锅炉使用性能和安全运行的关键环节，而当前的测量方法存在局限性，不能满足精度和稳定性要求。
光纤光栅传感器由于其高精度、高稳定性等特性，逐渐被引入此领域。
本文首先阐述了光纤光栅传感器的工作原理、主要特性和优点，以及其不同类型和应用领域。
然后，对锅炉受热面管壁温度测量的重要性进行了不同的解释，同时对现有测量方法和其局限性进行了分析，最终阐明了高精度、高稳定性测量方法的需求。
接下来，本文详细介绍了光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用情况，介绍了基于光纤光栅传感器的测量系统设计和实施，并对其进行了实验性能的评估与分析。
研究表明，光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上有显著优势，能够满足高精度、高稳定性的测量需求。
关键词：光纤光栅传感器；锅炉受热面管壁温度；高精度测量；高稳定性测量；引言在工业领域中，锅炉的使用扮演着重要的角色，它的安全运行是保障生产稳定的重要环节，而其中，对锅炉受热面管壁的温度测量尤为重要。
传统的测量方法由于其自身的局限性，在精度和稳定性方面无法满足实际的需求，这既影响了锅炉的工作效率，也可能引发潜在的安全隐患。
随着科技的快速进步，新型的温度测量技术应运而生，其中，光纤光栅传感器因其具备高精度、高稳定性等优点，越来越多的被应用于锅炉受热面管壁温度的测量。
光纤光栅传感器的工作原理简单明了，通过利用光纤光栅间的光强比，可以获得实现温度测量的高精度和高稳定性。
而且，不同类型的光纤光栅传感器可以满足在不同环境、不同条件下的测量需求。
然而，光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量的具体应用情况并未受到广泛的关注。
为此，本文详细的研究了光纤光栅传感器在锅炉受热面管壁温度测量上的应用情况，并提出了基于光纤光栅传感器的测量系统设计方案，最后，通过实验分析验证了该方法的可行性和优势。
1、光纤光栅传感器的原理及特点1.1 光纤光栅传感器的基本工作原理光纤光栅传感器的基本工作原理是基于布拉格衍射原理，通过光纤中的周期性折射率变化结构来实现对物理量的测量。
光纤测温方案
光纤测温方案随着科技的不断进步，测温技术也在不断更新和创新。
光纤测温作为一种新兴的测温技术，正逐渐被应用于各个领域。
本文将介绍光纤测温的原理、应用场景以及其在工业生产中的重要性。
一、光纤测温原理光纤测温是利用光纤传输光信号的特性来测量被测物体的温度。
其原理主要包括光纤传感器、光纤传输和信号处理三个部分。
1. 光纤传感器光纤传感器是将光纤与温度敏感元件结合起来，通过温度的变化来改变光的特性。
常见的光纤传感器有热敏光纤和光栅光纤传感器。
热敏光纤通过测量光纤在线温度的变化来推断被测物体的温度；而光栅光纤传感器则利用光纤中的光栅结构，在光纤上形成周期性的衍射光谱，通过测量光谱的变化来计算温度。
2. 光纤传输光纤作为光信号的传输媒介，具有传输距离远、抗干扰能力强等优点，非常适合用于测温。
光纤传输光信号时，通过对光的衰减和相位的变化进行测量，可以准确地获得被测物体的温度信息。
3. 信号处理通过对光纤传输的信号进行采集和分析处理，可以得到最终的温度信息。
信号处理一般包括光的幅度和相位的测量，以及后续的数据处理和结果显示。
二、光纤测温的应用场景光纤测温凭借其高精度、快速响应和远距离传输等特点，被广泛应用于各个领域。
1. 工业生产在工业生产中，温度的监测和控制非常重要。
光纤测温可以用于监测高温炉、热处理设备以及各种化学反应过程中的温度变化，帮助实现工艺优化和安全控制。
2. 能源领域在能源领域，光纤测温可以用于监测发电厂、输电线路和变电站等设备的温度变化，及时发现异常情况并采取相应的措施，以确保电力系统的安全稳定运行。
3. 环境监测光纤测温还可以应用于环境监测领域，例如监测地壳温度、水体温度以及天气预警中的火灾和局部高温区域等。
这对于预防火灾、保护生态环境以及提前预警具有重要意义。
三、光纤测温的重要性光纤测温作为一种高精度、远距离传输的测温技术，对于工业生产和各个领域的发展具有重要的意义。
首先，光纤测温可以提供精确的温度变化数据，帮助工程师和科研人员对温度变化进行准确分析和预测，从而优化工艺控制和产品质量。
光纤传感器在电力系统中的应用
第２９卷第１８９期 电力系统通信 ２ ０ ０ ８年７月ｌ ０日Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｖ０１．２９ Ｎｏ．１８９
Ｊｕ１．１ ０，２００８ ・４９・
光纤传感器在电力系统中的应用 李星蓉 （华北电力大学电子与通信工程系，河北保定０７１００３）
摘要：分析了光纤传感器研究的国内外现状，介绍了光纤布里渊散射温度和应变传感的原理，研 究了光纤传感器在我国高压电缆温度和应变测量中的应用情况，以及其在电力系统光缆监测中 的应用，探讨了光纤在电功率方面的研究状况。
关键词：光纤传感器；布里渊散射；温度测量；应变测量 中图分类号：ＴＮ９２９．１１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００５—７６４１（２００８）０７—００４９—０４
０ 引言 电力系统网络结构复杂、分布面广，在高压电 力线和电力通信网络上存在着各种各样的隐患，因 此，对系统内各种线路、网络进行分布式监测显得 尤为重要。如何实时监测这些故障隐患，直接关系 到电力系统的生产安全与运行稳定。近年来，光纤 凭借其损耗低、带宽资源丰富、耐高压、抗电磁干扰 等优点，已在有线通信中特别是主干通信网中占有 绝对优势，这一点在电力通信网中也是如此。目 前，采用分布式光纤传感器进行温度与应变的测量 在国外已经得到广泛应用，在国内采用分布式光纤 传感器对高压电力线在线测温、对建筑、堤坝、桥梁 进行应变测量等也受到了广泛的关注。 １ 光纤传感研究现状 目前流行的光纤传感方式主要有三大类¨ ： 一是基于背向瑞利散射的光纤分布式传感技术；二 是基于喇曼散射的光纤分布式传感技术；三是基于 布里渊散射的分布式光纤传感技术。 基于背向瑞利散射的传感技术，在２０世纪８０ 年代初期得到了很大的发展，但目前对这方面的研 究主要局限于光纤损耗和光纤断点检测方面。基 于喇曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤 传感技术研究中较为成熟的一种，目前该类传感器 的一些产品已出现在国际、国内市场，其空间分辨 率和温度分辨率已分别达到１ ｍ和１ ｏＣ，测量范围 ４～８ ｋｍ 。基于布里渊散射的分布式光纤传感 技术，虽然起步较晚，但最近几年发展很快，与其他 收稿日期：２００８一Ｏ１—２２；修回日期：２００８—０３—１２ 类型的分布式传感器相比，它的一个很大的优势在 于理论上可以实现长距离的传感，进而满足输油管 道、电力电缆等长距离检测，所以对提高传感系统 的传感距离的研究具有重大意义。 ２００１年，Ｓａｌｌｙ．Ｍ．Ｍａｕｇｈａｎ等人首先用微波 外差检测方案实现了传感距离为５７ ｋｍ的测量。 ２００５年，Ｍｏｈａｍｅｄ Ｎ．Ａｌａｈｂａｂｉ等人在微波外差方 案的基础上，在传感系统中采用了喇曼放大器，使 传感距离达到１５０ ｋｍ。
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光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用时 斌(东南大学电气工程学院,南京210096)
摘 要:电气设备在高电压、大电流的状态下运行时,其工作可靠性与热密切相关即发热温升是关键问题之一。为实时监测开关柜及接头在运行时的温度状态,针对其高压、强磁场工作环境提出了基于分布式光纤传感器的开关柜接点温度在线监测系统设计方案,方案采用了空分和波分复用的光路系统,并运用一种新的解调方法即利用瑞利散射信号来解调反斯托克斯信号,大大提高了信噪比。此外,该系统中光纤同时被用作传感器和信号通道以使终端机远离测量现场,从而彻底避免了强电磁场的干扰。由于光纤本身不带电,抗射频和电磁干扰,防燃、抗腐蚀、耐高压、耐辐射,能在各种恶劣环境中工作,对提高高压开关柜等高压电气设备运行的可靠性乃至电力系统运行的可靠性具有相当的实用价值。关键词:分布式光纤;温度传感器;光时域反射技术;背向拉曼散射;高压开关柜;温度在线监测系统;
中图分类号:TM247;TP277文献标志码:A文章编号:100326520(2007)0820169205
HVSwitchgearTemperatureOn2lineMonitoringSystemwithDistributedOpticalFiberSensorSHIBin(SchoolofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)
Abstract:Anewtechnology,thedistributedopticalfiberRamanphotonicsensorsystem(DOFRPS),whichisusedforthereal2timemeasurementoftemperaturefieldinthespace,iswidelyusedinelectricpowersystem.Inthispa2per,theworkingprincipleandstructureofHVswitchgeartemperatureon2linemonitoringsystembasedondistribu2tedopticalfibersensorwasintroduced,anditwascomparedwithtraditionalthermodetector.Secondly,spontane2ousRamanscatteringphotonswerethecarriersoftemperaturesignal.AresolutiontomeasuretemperatureofHV(highvoltage)switchgearwasbroughtforward,whichwasusedinthecircumstanceofHVandpowerfulelectro2
magneticfield.TheconfigurationanddemodulationmethodoftheDOFRPSsystemwereintroducedalongwiththeselectionofLDwavelengthandsignalnoiseratio.Inrespecttothedesign,thenewopticalcircuitofspacedivisionmultiplexandwavelengthvisionmultiplexwasused,andthesignalprocessingsystemofthesensorwasalsoestab2lished,aswellastheHMIsoftwaretopredictandwarnforfirehazardwassetup.Duringlong2termtest,thesys2temwasnormal,andthetemperaturecurvewasnotbroken,butsmooth,whichmeansthatthesystemispowerfultoresistelectromagneticinterference.TheprojectispracticableandshouldbewidelyusedinthestatemonitoringofHVelectricalfacilitiesinelectricalpowerplantsandsubstations.Keywords:distributedopticalfiber;temperaturesensor;OTDR;back2direction;HVswitchgear;temperatureon2linemonitoring
0 引 言随着国民经济的发展,电网容量增大,电网电压不断升高,对供电可靠性的要求也越来越高。电气设备在高电压、大电流的状态下运行时,其工作可靠性与发热密切相关即发热温升是关键问题之一。目前,电气设备部件过热造成严重事故已屡见不鲜[1],据统计,电力系统事故原因中有相当部分与过热问题有关,其中大部分是由于导电连接处出现问题。有多种原因造成接触不良如机械振动、触头烧蚀而造成接触处温度升高,引起接触处氧化,使接触电阻进一步增加,温度进一步上升,出现局部熔焊或产生火花甚至电弧放电,殃及周围绝缘材料,最终造成电气设备的损坏和人身事故。因此,对开关设备导电连接处进行温度监测并实现过热报警是避免重大事故和控制故障恶化的有力手段,是电力系统急需解决的课题。当前电力系统中对于高电压、大电流状态下运行的大量电气接触点,为保证其连接的可靠性,通常采用“测直阻法”和“贴温度标签法”,以及感温纸测温、红外温度测量[2,3]、F-P光学式测量[4]、感应窃电方式测量[5]。但是随着电压等级的提高,
这些方法表现出明显的局限性,现场使用比较困难且须停电进行。现行国家标准中对高压设备的允许温升及相应的测试方法虽已有规定,但测试方法不适合于在线监测。近年来,国内外均相继开发了一些基于不同检
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第33卷第8期2007年 8月高 电 压 技 术
HighVoltageEngineeringVol.33No.8Aug. 2007测原理的电气设备温度在线检测装置,如光纤传输方式和红外无线传输等[6,7]。日本电力工业研究中心利用测量接触点周围磁场的变化直接判断母线连接和气体绝缘开关中的异常接触状况。1994年扬州工学院提出一种非接触式智能激光温度计,应用石英晶体传感器进行温度测量,解决了高电压绝缘问题。1995年福州大学提出采用红外测温技术检测中压开关柜接头温度。随着现代物理学的发展与材料科学及加工技术的进步,光纤传感理论与技术得到了进一步发展,1985年英国的Dakin在实验室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温实验[8]。同年Hartog和Dakin分别独立地用半导体激光器作为光源,研制了分布光纤温度传感器实验装置[9,10]。此后,分布光纤温度传感器得到了很大的发展,研究出了多种传感机理,有的还使用了特种光纤[11,12]。
1 系统构成与原理分布式光纤传感器工作依据主要是光纤的光时域反射(OTDR)原理及拉曼背向散射温度效应[13],
传感器用OTDR技术定位,用拉曼散射效应测温。111 利用光纤的光时域反射技术实现距离定位OTDR主要用于检验光纤损耗特性及光纤故障,同时也是分布式光纤传感器的基础,图1为基于背向散射光纤分布式传感器的测量原理。当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瑞利散射[14]。若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为t,光脉冲在光纤中传输的路程为2L,则2L=vt,其中v=c/n,为光在光纤中的传播速度,c为光在真空中的速度,n为光纤的折射率。那么,在t时刻测量到的就是离光纤入射端距离为L处的背向瑞利散射光。而空间域光纤的瑞利背向散射光子数为NR=KRSυ40Neexp(-α0L),式中,Ne为射入光纤的光脉冲所含光子数;KR为与光纤瑞利散射截面相关的系数;S为光纤背向散射因子;υ0为入射激光光子频率;α0为入射光在光纤中的损耗;L=ct/2n为被测物理场距光源的长度。112 拉曼背向散射的温度效应当频率为υ0的激光进入光纤时,在其背向会产生拉曼散射即频率不同于入射光的散射光,光纤测温的机理正是依据背向拉曼散射光谱的温度效应。拉曼散射光由反斯托克斯光和斯托克斯光两种不同波长的光组成,通常采用斯托克斯和反斯托克斯光强度的比值来解调温度T的信号[15]。本文采用一种新的解调方法即利用瑞利散射解调反斯托克斯信图1 背向散射光纤分布式传感器原理Fig.1 PrincipleofopticalfiberRamanback2scatterinsensor号,大大提高了信号噪比。经理论推导,反斯托克斯散射信号强度与瑞利散射信号强度比值为:R(T)=N/NR=(Ka/KR)(υa/υ0)4Ra(T)exp(-(aa-a0)L),式中,Ka、KR为与光纤反斯托克斯拉曼散射和瑞利散射截面有关的系数;Na为光纤的反斯托克斯拉曼散射光子数;υa为反斯托克斯拉曼散射光子频率;aa为反斯托克斯拉曼散射光的光纤传输损耗;Ra(T)为与光纤分子高能级上的布居数有关的系数,与光纤待测局域处的温度有关。实际测量中通常瑞利散射的温度效应较弱,与反斯托克斯散射的温度效应相比可忽略即NR(T)=NR(T0),当起始温度T0已知时,由下式确定测量光纤上各点温度绝对值:Na(T)/NR(T)Na(T0)/NR(T0)=Na(T)Na(T0)=exp(hΔυ/kT0)-1exp(hΔυ/kT)-1,式中,Δυ为拉曼声子频率;h为普朗克常量;k为玻
耳兹曼常量。
2 系统构成分布式光纤测温系统在整个测量光纤长度上,
以距离的连续函数形式感出被测点的温度随光纤长度的变化。按照OTDR原理,典型的分布式光纤传感器及其系统如图2所示。它主要由激光二极管(LD)、光纤波分复用器、光电接收与放大组件、信号
采集与处理系统等单元组成[16,17]。半导体激光器发出一系列光脉冲,经过光纤耦合器进入光纤,来自被测光纤的部分后向散射光再次经过耦合器传输到雪崩光电二极管转换为电信号。211 激光二极管(LD)在本系统中采用了适于长距离测量的长波长激光二极管。由于OTDR技术在实现距离的测量时有一定的空间分辨率,其大小取决于光脉冲的宽度以及APD的响应时间,其空间分辨率为Δx=
vg
ΔM/2,式中,v
g
为激光脉冲在光纤中传输的速
度;ΔM为输入激光脉冲的宽度,获得较高的空间分辨率,激光二极管的光谱通宽度应尽量窄。为确保
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