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分布式光纤线型感温探测器在电力系统中的应用

时间:2019-03-07 点击:
  随着我国经济的开展,电力体系正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向开展,一旦发作事端便会对国民经济造成巨大损失。怎么对正在运转的电力设备进行在线监测并进行安全预测和温度 变化趋势剖析?怎么经过实时数据对设备质量、运转环境、运转方式、设备老化、负荷不平衡等进行科学剖析?这些都是电力体系中迫切需要处理的问题。传统的红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、 热电阻式测温体系等只能对电力体系的部分位置进行测温,无法为安全、经济运转、高效检修供给科学依据。而分布式光纤测温体系能够完成多点、在线的分布式丈量,完成了运转设备的实时在线监 测,有效地处理了长时间以来现场出现的高温、焚烧、爆炸、火灾等事端应急不备的问题。在电力体系中,这种光纤测温技能在高压电力电缆、电气设备因触摸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、锅炉等设备的温度定点传感场合具有广泛的运用远景。   
 
  二、分布式光纤测温的基本原理   
  分布式光纤测温体系依据后向散射原理能够分为三种:依据瑞利散射、依据拉曼散射和依据布里渊散射。目前开展比较成熟,且有产品运用于工程的是依据拉曼散射的分布式光纤测温体系。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,因为光纤中存在折射率的微观不均匀性,会发生散射。在时域里,入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时刻为t,激光脉冲在光纤中所走过的旅程为2L,其间v为 光在光纤中的传达速度、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达。因为光脉冲与光纤内部分子发作弹性碰撞和非弹性碰撞,故光脉冲在传达中的每一点都会发生反射,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必定的相关关系。反射点的温度(该点光纤所在的环境温度)越高,反射光的强度也越 大。运用这个现象,若能测出后向反射光的强度,就能够计算出反射点的温度,这就是运用光纤丈量温度的基本原理。   
 
  如用公式来表达:当激光脉冲在光纤中传达时与光纤分子相互作用,会发作瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射,其间拉曼散射是因为光纤分子的热振荡和光子相互作用发作能量交换而发生的。如 果一部分光能转换成热振荡,那么将宣布一个比光源波长长的光,称为斯托克斯光;如果一部分热振荡转换为光能,那么将宣布一个比光源波长短的光,称为反斯托克斯光。依据拉曼散射理论,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)其间,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)式中能够看出,R(T)仅与温度T有关。因而,咱们能够凭借反斯托克斯与斯托克斯光 强之比来完成温度的丈量。 
  三、分布式光纤测温体系的传感进程   
如图1所示,分布式光纤测温体系的传感进程为:计算机操控同步脉冲发作器发生具有必定重复频率的脉冲,这个脉冲一方面调制脉冲激光器,使之发生一系列大功率光脉冲,另一方面向高速数 据收集卡供给同步脉冲,进入数据收集状况。光脉冲经过波分复用器的一个端口进入到传感光纤,并在光纤中各点处发生后向散射光,返回到波分复用器中。后向散射光经过波分复用器中的薄膜干与 滤光片分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光,经波分复用器的另外两个端口输出,并分别进入到光电检测器(APD)和扩大器中进行光电转换和扩大,将信号扩大到数据收集卡能够收集的范围上。最后 由数据收集卡进行存储和处理,用于温度的计算。   
 
  四、分布式光纤测温体系在电力体系中的运用   
  (一)电力电缆的温度监测   
  在电力体系中,电缆线路起到传输高压电能的作用。电缆常常会因为长时间运转而绝缘老化,会因为所在外部环境恶劣及内部高负荷电流而引起部分高温乃至火灾。因而,有必要对电缆进行实时、 在线监测,及时地发现毛病,将事端消除在萌芽状况。分布式光纤测温体系能够经过对电力电缆的运转状况进行在线监测,实时把握整条线路的运转状况,有效监测电缆在不同负载下的发热状况,提 高对电缆的管理水平;能够对电缆沟内的火情进行监测与报警,识别电力电缆的部分过热门,提前发现电缆毛病并预警,预防事端的发作;能够优化输配电的本钱,依据温度能够确定电缆的负荷变化, 合理地装备负荷,扩大现有电缆的容量,增加电缆的工作寿数;能够发现电缆运转进程中的外力损坏。   
 
  (二)变电站的温度监测   
  分布式光纤测温体系因其本身共同的长处,被广泛运用于变电站的温度监测中。它能够完成对主设备的温度监测,一般选用带有外护套的光纤电缆作为主变压器室火情监视报警体系,选用热塑料 外护套的光纤电缆进行“零距离”实时监测变压器的套管、GIS穿墙管及导线连接处的温度。它能够对开关柜内易发热部位实时进行监测,将其同开关柜体的通风体系合作运用,能够使柜内的温度始 终保持在允许的范围内;将光纤环绕在柜体内电缆接头上、断路器小车的一次插头隔弧罩上或静触头热缩套上,能够实时监测其温度,在演变成事端之前,及早发现并采纳办法。   
 
  (三)高压配电装置的温度监测   
开关柜内的电缆接头,10KV、35KV高压开关柜中动静触头及电气设备的连接头因为长时间运转,牢靠性和触摸性会变差,是易出毛病的薄弱环节。其原因主要是这些部位触摸不良、触摸电阻较大,在大电流情况下热功率很大,然后造成过热,加剧触摸面氧化,使得触摸电阻进一步增大,构成恶性循环,开展到必定程度,便会造成严重毛病,损坏供电的安全牢靠。分布式光纤测温体系能够将光 纤环绕在接头上,实时监测其温度,在演变成事端前,及早发现并采纳处理办法。关于发电机绕组、变压器等体积比较大的重要部件,可将光纤环绕在其外表,增加了丈量该区域的光纤长度,提高了 丈量的准确性,并在温度曲线中能快速地找到高温毛病点。   
 
  五、结语   
  分布式光纤测温体系集光纤传感、光纤传输、光纤通信、光电操控及计算机等技能于一体,具有实质安全、长时间牢靠、不受电磁搅扰、测温精度高、实时在线等长处,完成了电力体系运转设备的 多点、实时、在线监测。该体系已在国内外电力体系中广泛运用并得到认可,进一步完善该体系的稳定性和牢靠性将使其在电力体系中的运用远景愈加广阔。