專(zhuān)利名稱(chēng)：電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是供電網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)技術(shù)，更詳細(xì)地講是關(guān)于供電網(wǎng)絡(luò)、石油管網(wǎng)、隧道、大壩及大型設(shè)備中對(duì)管路、電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
由于高壓電カ電纜鋪設(shè)于地下，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后檢修常常不到位，再加上環(huán)境溫度等因素的影響，部分有缺陷的位置往往會(huì)發(fā)熱，并且電流越大，溫度升高越快，發(fā)熱點(diǎn)電阻増大，從而產(chǎn)生更多的熱量，使得電阻進(jìn)一歩増大，溫度繼續(xù)升高，形成惡性循環(huán)。如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，最終將導(dǎo)致起火或爆炸，造成線路損壞，嚴(yán)重的可引發(fā)火災(zāi)和大面積的停電·事故。這ー現(xiàn)象在負(fù)荷增長(zhǎng)較快的地區(qū)顯得尤為普遍。
·[0003]目前，對(duì)電カ電纜的重要部位如接頭等的溫度監(jiān)測(cè)主要仍靠人工去測(cè)量，例如定期派人到現(xiàn)場(chǎng)用紅外線或激光測(cè)溫儀進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，這種人工測(cè)量的方法主要存在以下問(wèn)題①監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，許多地方發(fā)熱現(xiàn)象得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理；②監(jiān)測(cè)范圍受限制，只能檢測(cè)電纜接頭，無(wú)法對(duì)封閉在管道里的電カ電纜部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)；③檢測(cè)和分析判斷由人工進(jìn)行，因此檢測(cè)和分析結(jié)果受人為因素影響較大紅外線或激光測(cè)溫儀價(jià)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(lái)，ABB、西門(mén)子及國(guó)內(nèi)ー些生產(chǎn)廠家也陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了ー些高壓電カ電纜溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，但從應(yīng)用情況來(lái)看，效果不好，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面①高電壓的隔離是高壓電カ電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)也是技術(shù)關(guān)鍵?，F(xiàn)有的溫度監(jiān)測(cè)方法主要采用熱電耦、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度傳感元件實(shí)現(xiàn)，這些溫度傳感器一般都不是直接測(cè)量帶電物體的溫度，并且需要通過(guò)金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào)，傳感器本身以及其信號(hào)傳輸通道受電磁干擾和環(huán)境的影響較大，無(wú)法保證絕緣性能，因而無(wú)法保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；②傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)普遍存在傳感器體積偏大、安裝困難、易受環(huán)境和周?chē)姶艌?chǎng)的干擾、需人工操作、實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的成本高昂等問(wèn)題，尤其無(wú)法在整條電カ電纜上安裝，只能實(shí)現(xiàn)ー小部分電カ電纜的部分接頭的溫度監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部電カ電纜的系統(tǒng)、全面、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)；③現(xiàn)有的電カ電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備，絕大部分是電カー次設(shè)備生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)出的針對(duì)自己產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)設(shè)備，功能単一，通用性差，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)混亂，并且與變電綜合自動(dòng)化等監(jiān)控系統(tǒng)接ロ困難，很難進(jìn)行普及和推廣。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種能消除上述缺點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、監(jiān)測(cè)及時(shí)、判斷準(zhǔn)確、成本低、效率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置，尤其是采用先進(jìn)的光時(shí)域反射技術(shù)和喇曼散射光對(duì)溫度敏感的特性，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度的變化，提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和通用性，實(shí)現(xiàn)電カ電纜的系統(tǒng)、全面和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)；采用傳感光纖作探測(cè)器，從根本上消除了環(huán)境和電磁干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，具備防爆、防雷、防腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可用于高壓電纜、皮帶機(jī)、石油、管道泄漏、隧道火災(zāi)探測(cè)、大壩安全監(jiān)測(cè)等。該系統(tǒng)采集的溫度信息通過(guò)光信號(hào)傳輸，不受電磁干擾，防潮濕，傳輸距離長(zhǎng)，損耗小，也易擴(kuò)展；是理想的供電網(wǎng)絡(luò)中對(duì)電カ電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)專(zhuān)用配套裝置。本實(shí)用新型的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置包括光路耦合器，光路耦合器分別與BBS、光濾波器和恒溫槽相連接，其中，恒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(jī)相連接，光接收機(jī)與數(shù)據(jù)采集與處理模塊相連接，數(shù)據(jù)采集與處理模塊與計(jì)算機(jī)相連接，BBS與計(jì)算機(jī)相連接。所述BBS包括半導(dǎo)體激光器，BBS通過(guò)激光器尾纖與光路耦合器連接，BBS在計(jì)算機(jī)控制下輸出光脈沖。所述光路耦合器是輸入端接收BBS輸出的光脈沖，其輸出連接恒溫槽，通過(guò)恒溫槽將光脈沖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(lái)的喇曼散射光耦合至光濾波器，經(jīng)光濾波器從喇曼散射光中濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，由光接收機(jī)接收斯托克斯光和反斯托克斯光，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn) 換和放大處理，輸出處理后的信號(hào)，該信號(hào)由數(shù)據(jù)采集與處理模塊進(jìn)行采樣和處理，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算出溫度。該系統(tǒng)原理是利用光纖的光時(shí)域反射儀原理和光纖的后向喇曼散射溫度效應(yīng)，即當(dāng)ー個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播；在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)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；這種后向反射光的強(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的關(guān)系；也就是說(shuō)，后向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度；利用測(cè)量出后向反射光的強(qiáng)度，計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度。所述BBS(指的是“光源”，即“發(fā)光設(shè)備”)用于在計(jì)算機(jī)控制下輸出光脈沖；所述光路耦合器用于接收所述BBS輸出的光脈沖，輸出給恒溫槽；所述恒溫槽用于將所述光脈沖輸出給傳感光纖；所述光路耦合器用于將所述傳感光纖散射回來(lái)的喇曼散射光耦合至光濾波器；所述光濾波器用于從所述喇曼散射光中濾出斯托克斯光和反斯托克斯光；所述光接收機(jī)分別用于接收所述斯托克斯光和反斯托克斯光，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大處理，輸出處理后的信號(hào)；所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊用于對(duì)所述光接收機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，輸出處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)；所述計(jì)算機(jī)用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，計(jì)算出溫度。進(jìn)ー步的，所述BBS還包括半導(dǎo)體激光器，所述BBS通過(guò)激光器尾纖與所述光路耦合器連接。該系統(tǒng)所依據(jù)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(shí)域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer,簡(jiǎn)稱(chēng)0TDR)原理和光纖的后向喇曼散射(Raman scattering)溫度效應(yīng)。具體地說(shuō)，當(dāng)ー個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。因光纖內(nèi)壁類(lèi)似鏡面，故光脈沖在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)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。這種后向反射光的強(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說(shuō)，后向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測(cè)量出后向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這是利用光纖測(cè)量溫度的基本原通。本實(shí)用新型提供的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置，采用先進(jìn)的光時(shí)域反射技術(shù)和喇曼散射光對(duì)溫度敏感的特性，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度的變化，提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和通用性，實(shí)現(xiàn)了電カ電纜的系統(tǒng)、全面和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。

圖I :電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)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-恒溫槽、14-光濾波器15-光接收機(jī)、16-數(shù)據(jù)采集與處理模塊、17-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)ー步說(shuō)明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu) 如圖所示的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)功能所依據(jù)的基本原理該系統(tǒng)所依據(jù)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(shí)域反射儀(Optical Time Domain Ref lectometer,簡(jiǎn)稱(chēng)0TDR)原理和光纖的后向喇曼散射(Raman scattering)溫度效應(yīng)。具體地說(shuō)，當(dāng)ー個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。因光纖內(nèi)壁類(lèi)似鏡面，故光脈沖在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)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。這種后向反射光的強(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說(shuō)，后向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測(cè)量出后向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測(cè)量溫度的基本原通。圖2為本發(fā)明中喇曼散射頻移示意圖。當(dāng)頻率為VO的激光入射到光纖中，它在光纖中向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些后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(cè)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(cè)頻率為(vO-A V)、波長(zhǎng)為Xs的譜線稱(chēng)為斯托克斯(Stokes)線，參見(jiàn)圖I中的D,高頻ー側(cè)頻率為(vO+A V)、波長(zhǎng)為入a的譜線,稱(chēng)為反斯托克斯(Anti-stokes)線，參見(jiàn)圖I中的C。另外，圖I中的A為入射信號(hào)線，B為布里淵散射線。根據(jù)喇曼散射理論，在自然喇曼散射條件下，兩束反射光的光強(qiáng)與溫度有夫。為了消除激光管輸出的不穩(wěn)定性、光纖彎曲、接頭的損耗等影響，提高測(cè)溫準(zhǔn)確度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用雙通道雙波長(zhǎng)比較的方法，如圖I所示，即對(duì)斯托克斯光和反斯托克斯光分別進(jìn)行采集，利用兩者強(qiáng)度的比值解調(diào)溫度信號(hào)。由于反斯托克斯光對(duì)溫度更為靈敏，因此，將反斯托克斯光作為信號(hào)通道，斯托克斯光作為比較通道，則兩者之間的強(qiáng)度比為R(T) = !-f =(I)在公式(I)中，入s和Xa分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的波長(zhǎng)；h為普朗克常數(shù)為真空中的光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；V0為入射光頻率；T為絕對(duì)溫度。從公式(I)中可以看出，R(T)與溫度T有關(guān)，而與光強(qiáng)、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無(wú)關(guān)。因此，借助探測(cè)反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光強(qiáng)之比值可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。另外，利用OTDR技木，還可以根據(jù)激光后向散射信號(hào)在光纖中的損耗來(lái)監(jiān)測(cè)光纖的故障點(diǎn)和斷點(diǎn)的位置，進(jìn)而獲知電纜斷線的有關(guān)信息。其中喇曼散射是由于光纖分子的熱振動(dòng)，它會(huì)在光纖每點(diǎn)產(chǎn)生ー個(gè)比BBS波長(zhǎng)長(zhǎng)的斯托克斯光和ー個(gè)比BBS波長(zhǎng)短的反斯托克斯光，光纖受外部溫度影響，光纖中的反斯托克斯光強(qiáng)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量喇曼散射光的頻移、斯托克斯光強(qiáng)Is和反斯托克斯光強(qiáng)Ia，經(jīng)正交化處理以消除非溫度效應(yīng)如光纖老化衰減和扭曲變形等影響，可以計(jì)算出被測(cè)量點(diǎn)的溫度。根據(jù)發(fā)射入射脈沖光和接收到喇曼散射光的時(shí)間差可以標(biāo)定光纖長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)被測(cè)量點(diǎn)的定位。假設(shè)激光脈沖輸入光纖后經(jīng)過(guò)ti秒后在入射端檢測(cè)到從斷面i產(chǎn)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(zhì)的折射率。根據(jù)上述測(cè)試原理，本發(fā)明提供了一種電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖2為 本發(fā)明提供的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)ー實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，該系統(tǒng)包括光路耦合器12，光路耦合器12分別與BBS11、光濾波器14和恒溫槽13相連接；所述恒溫槽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(jī)15相連接，所述光接收機(jī)15與數(shù)據(jù)采集與處理模塊16相連接，數(shù)據(jù)采集與處理模塊16與計(jì)算機(jī)17相連接；所述BBSll還與所述計(jì)算機(jī)17相連接BBSll用于在計(jì)算機(jī)17的控制下輸出光脈沖；光路耦合器12用于接收BBSll輸出的光脈沖，輸出給恒溫槽13 ;恒溫槽13用于將光脈沖輸出給傳感光纖。光路耦合器12還用于將傳感光纖散射回來(lái)的喇曼散射光耦合至光濾波器14 ;光濾波器14用于從喇曼散射光中濾出斯托克斯光和反斯托克斯光；光接收機(jī)15用于接收斯托克斯光和反斯托克斯光，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大處理，輸出處理后的信號(hào)；數(shù)據(jù)采集與處理模塊16用于對(duì)光接收機(jī)15輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，輸出處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)；計(jì)算機(jī)17用于根據(jù)數(shù)據(jù)采集與處理模塊16輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，計(jì)算出溫度。進(jìn)ー步的，BBSll還包括半導(dǎo)體激光器，BBSll通過(guò)激光器尾纖與光路耦合器12連接。具體地說(shuō)，在計(jì)算機(jī)17的控制下，BBS產(chǎn)生一大電流脈沖，該電流脈沖驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生大功率的光脈沖，并注入激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖要經(jīng)過(guò)光路耦合器12后進(jìn)入一段放置在恒溫槽13中的光纖(用于系統(tǒng)標(biāo)定)，然后進(jìn)入傳感光纖。當(dāng)激光在傳感光纖中發(fā)生散射后，攜帯有溫度信息的喇曼后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(chǎn)生的光脈沖直接耦合至傳感光纖，而且還可以將散射回來(lái)的不同于發(fā)射波長(zhǎng)的喇曼散射光耦合至光濾波器14。光濾波器14濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，兩路光信號(hào)經(jīng)過(guò)光接收機(jī)15時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，然后由數(shù)據(jù)采集與處理模塊16進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)ー步處理(提高信噪比)，送入計(jì)算機(jī)17進(jìn)行溫度的計(jì)算。根據(jù)公式(I)可以得到每=の+4ln(全)](2)[0032]對(duì)于固定的溫度(恒溫槽標(biāo)定溫度力"' )，則有
權(quán)利要求1.一種電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于該系統(tǒng)包括光路耦合器，光路耦合器分別與BBS、光濾波器和恒溫槽相連接，其中，恒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(jī)相連接，光接收機(jī)與數(shù)據(jù)采集與處理模塊相連接，數(shù)據(jù)采集與處理模塊與計(jì)算機(jī)相連接，BBS與計(jì)算機(jī)相連接。
2.如權(quán)利要求I所述的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述BBS包括半導(dǎo)體激光器，BBS通過(guò)激光器尾纖與光路稱(chēng)合器連接，BBS在計(jì)算機(jī)控制下輸出光脈沖。
3.如權(quán)利要求I或2所述的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光路耦合器是輸入端接收BBS輸出的光脈沖，其輸出連接恒溫槽，通過(guò)恒溫槽將光脈沖輸出傳送至傳感光纖。
4.如權(quán)利要求I或2所述的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光路耦合器是將傳感光纖散射回來(lái)的喇曼散射光耦合至光濾波器，經(jīng)光濾波器從喇曼散射光中濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，由光接收機(jī)接收斯托克斯光和反斯托克斯光，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大處理，輸出處理后的信號(hào)，該信號(hào)由數(shù)據(jù)采集與處理模塊進(jìn)行采樣和處理，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算出溫度。
專(zhuān)利摘要電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)裝置包括光路耦合器，光路耦合器分別與BBS、光濾波器和恒溫槽相連接，其中，恒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(jī)相連接，光接收機(jī)與數(shù)據(jù)采集與處理模塊相連接，數(shù)據(jù)采集與處理模塊與計(jì)算機(jī)相連接，BBS與計(jì)算機(jī)相連接。具有結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、監(jiān)測(cè)及時(shí)、判斷準(zhǔn)確等特點(diǎn)。采用先進(jìn)的光時(shí)域反射技術(shù)和喇曼散射光對(duì)溫度敏感的特性，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度的變化，提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和通用性，實(shí)現(xiàn)電力電纜的系統(tǒng)、全面和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，從根本上消除了環(huán)境和電磁干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，是理想的供電網(wǎng)絡(luò)中對(duì)電力電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電纜隧道光纖在線溫度監(jiān)測(cè)專(zhuān)用配套裝置。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202420711SQ20112050257
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者翔 時(shí), 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(qǐng)人:山東電力集團(tuán)公司青島供電公司