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华中科技大学电气与电子工程学院

光纤传感技术

专题报告

课 题： 光纤传感器在电力电缆分布式测温的应用
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光纤传感器在电力电缆分布式测温的应用
1 光纤传感器
光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感器。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能在恶劣环境下工作等一系列优点，因而具有广泛的应用前景。
光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。
光纤传感器可以按传感原理分为两类：一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感合一的特点；另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式。

1.1 光强调制型
这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的徽弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。
1.1.1 改变光纤的微弯状态
利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图1。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如：利用这一原理制成的光纤报警器，其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时，地毯弯曲状加剧，引起光纤光强变化，产生报警信号。

1.1.2 改变光纤对光波的吸收特性
x射线和r射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光，由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。
1.1.3 改变光纤包层的折射率
图2是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射，经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等。

1.2 相位调制型
这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压(包括水声)、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛(只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感)，但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。图3是Michelson光纤干涉仪，它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜，则可利用电流的热效应来测量电流。

1.3 偏振态调制型
被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化，检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。基本原理是利用光材料的法拉第效应，即光纤处于磁场中，磁场使光纤中光波的偏振面旋转，旋转角θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足：θ=KHL，K为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生的磁场H=I／2πR (R是光纤与载流导线间的垂直距离)，则θ=KLI／2πR只要测出θ、L、R即可求出导线中的电流。图4为其原理图，这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输入输出端实现了电绝缘。

2 光纤传感器测温原理
目前，应用最多的光纤传感器有光纤光栅温度传感器、基于拉曼散射及布里渊散射的分布式光纤传感器等。

2.1 光纤光栅传感器测温原理
光纤光栅温度传感器利用其布拉格波长的温度依赖性测温。当宽光谱光经过光纤布拉格(Bragg)光栅时，满足布拉格条件的单色光λB被反射回输入端，λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率n有关。当光纤光栅周围的温度发生变化时，将导致Λ和n变化，从而使λB变化△λB，在光纤光栅不受应变时，△λB与环境温度T的关系为：

式中，λB为光栅反射回的单色光波长；△λB为波长的变化量；α为光纤热膨胀系数，一般为O．55×e-6 ；ξ为光纤光栅的热光系数，常温下约为8_3×e-6；△T为温度的变化量，△λB与△T呈线性关系，其比例系数约为10 pm/°C。因此，根据光纤光栅波长变化与温度变化之间的关系．即可获取沿光纤分布的温度信息。

2.2 拉曼传感器测温原理
托曼分布式光纤温度传感器主要依据光时域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)原理及光纤的后向拉曼散射(Raman Scattering)效应。光纤中的拉曼散射是光在传播时与光纤材料相互作用产生的一种非弹性散射．包含斯托克斯(Stokes)散射和反斯托克斯(Anti—Stokes)散射2个分量。当光强为Io，频率为vo的光入射到光纤中时，若在光纤区域l处温度为T，则光纤入射端所探测到的后向Stokes散射光强Is、Anti—Stokes散射光强Ias。分别为：

式中，Io为光纤始端的人纤光强；Ks，Ko为与光纤Stokes和Anti—Stokes散射面积有关的系数；B为后向散射系数；vs，vas分别为Stokes和Anti—Stokes散射光频率；αo，αs，αas。分别为人射光、Stokes和Anti—Stokes散射光在光纤中的传输损耗；Rs(T)，Ras(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，是温度T的函数。
由式(2)和式(3)可知，Stokes和Anti-Stokes散射光都携带了温度信息，将Stokes散射光作为参考光，利用两者的比值获取光纤的温度信息，后向散射光的传播时间确定沿光纤各测量点的位置信息。

2.3 布里渊传感器测温原理
布里渊分布式光纤温度，应变传感器主要依据OTDR原理以及光纤的后向布里渊散射(Brillouin Scattering)效应。当某一频率的光人射到光纤中时．光纤中会产生1个声波场，光波场与声波场相互作用使散射光相对于人射光产生频移．频移的大小与材料的声速成正比。布里渊频移VB为：

式中，n为光纤纤芯折射率；VA为光纤中的声速，与光纤材料的弹性模量、光纤密度及泊松比等有关; λ为前向传输的光波在自由空问的波长。研究发现，布里渊散射光的频移和强度与光纤所受温度和应变有关，由应变和温度变化引起的布里渊频移和强度的变化可表示为：

式中，△VB为布里渊频移变化量；为布里渊强度相对变化量；CvT、Cvε、CPT、Cpε分别为布里渊频移及强度的温度和应变系数；△T及△ε分别为光纤的温度和应变变化量。因此，当光纤中的温度和应变发生变化时，会导致以上参量发生变化．从而使布里渊频移和强度发生变化。

3 光纤传感器在电力电缆测温中的应用现状
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及应力，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。目前，国外(主要是英国、日本等)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工作只是刚刚开始。联系到我国电力系统时常发生的故障来考虑，如果能在高压电缆上并行地铺设传感光缆，对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力等参量进行实时测量，就能够做到及时排险，从而尽可能减少经济损失。

3.1 光纤光栅温度传感器在测温中的应用
光纤光栅温度传感器的功能类似于点状的电信号温度传感器。而且光纤光栅本身不带电，抗辐射、电磁干扰能力较强、耐高压和腐蚀，适合应用在电力系统强电磁干扰的恶劣环境中，其主要应用模式有以下几种。
1)将光纤光栅间接地布置在电力电缆表面获取电缆的温度信息。如在电缆上固定贴有光纤光栅的金属板．电缆荷载变化引起的电缆温度变化经金属板传人光纤光栅。再利用波分复用技术解调光栅反射信号，从而获取沿电缆方向的温度信息。对于更长距离高压传输电缆的监测则需要更多的光纤光栅并结合时分复用技术。还可通过组网的方式．在利用基于光纤光栅的电缆运行参数在线监测系统监测电缆温度时．可将光纤光栅测温系统监测到的电缆表皮温度数据发给主站．主站采用等效热路法计算出缆芯的温度，从而判断电缆运行温度是否超标。如果超标则发出报警。
2)将光纤光栅测温系统进行组网，监测电缆接头处的温度。
江苏省电力试验研究院经过研究, 开发出基于光纤光栅传感器的电力电缆温度在线监测系统, 并在南京供电公司110 kV 云南路变电站得到了应用，其结构如图5 所示。

图5 光纤光栅传感器电力测温系统
该测温系统利用光纤光栅传感器来测量电缆接头的外表温度，电缆接头分为三相，每相接头的外表处安装1 个光纤光栅传感器，光纤光栅传感器与室内光纤电缆熔接后连接到光纤光栅信号处理器，光纤光栅信号处理器通过通信口RS-232 与后台计算机相连，后台计算机将测量到的温度数据存储起来并显示在屏幕上，从而实现对电缆接头温度的监视。如果电缆接头出现温度异常，系统将自动报警。该系统与MIS 相连时，电缆接头的温度数据可以通过MIS 传送至中心监测站。该系统和其他温度在线监测系统相比对，具有安全可靠、精度高、定位准确、应用范围广等特点，特别适合于对电力电缆的接头和易发生故障部位进行温度实时监测。
3.2 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的应用
光纤测温可以应用在发电厂、变电站的电缆夹层、电缆沟道、大型电缆隧道的温度监测和监控。对电力电缆的监护，可以将测温光纤紧贴在电缆的表面并固定，保证两者充分接触，在取得电缆表面数据后，将电缆的负荷电流同时描成一组相关曲线，并从电流值推算出芯线导体的温度系数，从表面温度变化与导体温度变化之差(相同时刻作比较)便可以求出表面温度与运行负荷电流的相关关系。并以此来支持供电系统的安全运行。
另外，在诸如大型电缆隧道等场合，其内部环境温度的高低对保证电缆的正常运行有很大关系，采用光纤温度传感系统后，可以对其进行分布式连续监测，如有必要甚至可以与通风、空调系统配合使用，以满足在季节温度不同的情况下，始终保证环境温度在允许的范闱内。
3.3 布里渊传感器在测温系统中的应用
布里渊传感器可同时获取沿光纤分布的温度和应变信息。当电缆发生故障时，电缆上某点的温度和应变可能都发生变化，因此，布里渊传感器有着明显优势，目前主要用于海底光电缆的监测。由于海底光电缆在实际维修工程中会遇到电缆完整，而光纤单元损伤，只需维修光纤单元的情况，常用的电压测试法、电容测试法、音频测试法和线路监控系统测试法等都无法采用，利用基于布里渊散射的仪器对海底光电复合缆进行故障定位，取得良好效果。故障点定位测试法如图6所示。

图6 故障点定位测试法

首先通过位于机房的布里渊传感器测量光纤长度，结合路由资料初步判定光纤故障点位置。修缆船根据路由资料，移动到故障点附近，越接近越方便，然后打捞海缆。在海缆某段加热至70～80℃，使用测试仪器测试，发现加热点。最后根据加热点到光纤断点之间的距离即可确定修缆船的位移距离，从而打捞出故障点。如果粗测不准确，可重复上述步骤。
电缆光纤分布式测温技术的核心问题是提高测温精度，而温度测量的精度需要考虑入射光强度、系统噪声、拉曼散射系数、叠加次数与温度分辨率等因素。另外，光纤的安装方式对温度测量的精度也有直接影响。光纤的安装方法通常有表贴式和内绞合式2种。以110 kV线路中使用的三芯电缆为例，安装方式如图7所示。

图7 110 kV三芯电缆测温光纤安装方式
比较2种方法可知，安装在电缆内部的内绞合光纤能够对负载的变化做出更快的响应，而绑缚在电缆表面的表贴光纤由于受到电缆外界环境以及电缆本身绝缘屏蔽层的影响，几乎无法真实地跟踪负载的实时变化情况，仅能反应电缆周围环境的温度变化情况。因而，在理想情况下，光纤应被置于尽可能靠近电缆缆芯的位置，以更精确地测量电缆的实际温度。对于直埋动力电缆来说，表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化，但是对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感，而且能够减少光纤的安装成本。
目前已经报道了测量距离30 km以上、温度分辨率4℃、应变分辨率100uε、空间分辨率20 m的温度和应变同时测量的系统，该系统在只测量温度时，测量距离可达150 km。随着技术的提高和新型信号处理技术的发展，这种方案的性能一定会有大幅度的提高。
通过对我国电力系统时常发生的故障的分析，可以发现分布式光纤温度和应变传感器在电力系统的应用是非常迫切的。目前这项技术已经吸引了越来越多研究人员的目光。随着技术的发展以及设备改进，相信光纤传感器在不久的将来将会大范围应用到电力系统中，为电力设备的安全运行提供强有力的保障。

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