分布式光纤传感技术的研究 通信技术专业

中文摘要在本篇论文中，主要针对三类分布式光纤传感技术的基本原理，进行了更深层次的细致阐述。其中，主要涉及到技瑞利散射技术及其布里渊散射技术，与此同时，包含拉曼散射技术，并列举出了其在智能电网中的实际应用。由于我国电力网分布广、结构复杂,因此无法做到对电力系统中的各种电气设备、电缆线的全方位分布式实时监测,导致了电缆线、输电塔及其相关设备在运行过程中频频因温度升高或自然灾害的侵袭,而发生短路、火灾、倾塌等故障。鉴于目前电力系统中这些缺陷和不足,通过收集阅读近十年专家学者的相关文献,整理有关新型传感技术分布式光纤的大量文献、论文、期刊等,仔细学习分布式光纤传感技术的工作原理,将不同类型的分布式光纤与智能电网结合,监测电力网中电缆温度并对故障预警,探测架空线路塔线应力分布,为检修工作人员提供便利,并切实保障电力系统在实际运行过程中的安全性及其可靠性，逐渐完善电力网中存在的实时监测系统,建设更加完善的智能电网。关键词:分布式光纤;瑞利散射;拉曼散射;布里渊散射;智能电网0引言我国最大的社会基础产业是电力行业,为了保证国家的经济和人民的生活质量稳步增长,国内的专家学者都致力于大力发展智能电网。智能电网是将先进的传感技术和测量技术融合,利用先进的设备和技术保证电力网安全可靠的运行。目前我国智能电网还处于发展阶段,电力设施基础相对薄弱,设备老旧。由于国土面积大,输电线路常需要远距离架设,输电线缆除了要承载自身重量的机械力作用外,不仅需要建设在海拔高,常年积雪覆冰的地区,还会受到恶劣天气的影响,时常发生因覆冰、舞动以及雷击引起的输电架空线路跳闸或停运故障。本文深入论述了分布式光纤的概念,整理了不同种类的分布式光纤的结构以及工作原理,并与智能电网相结合,用特定的分布式光纤传感技术解决目前电力网中存在的缺陷和不足。将分布式光纤应用于智能电网中可以在线监测电缆桥架、隐蔽地沟中的电缆,开关柜内温度等,还可以对架空线缆的塔线结构健康进行探测。由此可见,将分布式光纤应用于智能电网相中,不仅提高了智能电网的安全可靠性,还可以对故障进行预警。因此,本文对分布式光纤在智能电网中的研究与应用具有实际参考意义1分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术是目前主要研究发展的一项新型技术,它的原理是利用光纤感知到信号的时候将信号传输返回,较传统点式光纤传感器的工作原理而言,分布式光纤传感器可以测量光纤上成千上万个点的温度和应变信息,达到分布式测量。分布式光纤温度传感器的工作原理是利用光纤中光散射的温度特性以及光时域反射测量技术,将较高的功率窄带光脉冲送入光纤中,检测并记录下后向散射光强度随时间的变化。通常情况下，对于一般的分布式光纤传感器网络而言，其能够基于距离参数，通过连续函数的具体形式，针对光纤表面各个位置的实时温度，进行相对精准的测量。现如今，对于常见的分布式光纤传感技术而言，主要可以将其分为三种类型。其中，涉及到技瑞利散射技术及其布里渊散射技术，与此同时，包含拉曼散射技术。实际上，光纤所表现出的散射光谱线，通常存在于激发线两侧，并通过对称形式呈现出来，详见图1。对于瑞利散射而言，其主要由于入射光和介质内部存在的微观粒子，产生相应的弹性碰撞，从而形成。值得一提的是，散射光和入射光的实际频率，在本质上完全一致。而对于拉曼散射及其布里渊散射两种方式而言，均属于非弹性散射的范畴,能够针对入射光的实际波长，实现相应的改变。除此之外，对于拉曼散射光来说，其一般涉及到两个参数：其中，斯托克斯光主要发生于不高于入射波光波的实际频率分量情况下，以此类推，反托克斯光主要发生于不低于入射波光波的实际频率分量状态下。图1光纤中的后向散射1经过十几年的研究,分布式光纤温度传感器的测量技术难度、温度测量精度和指标以及温度测量的现状和范围都有了新的提高。图2为分布式光纤传感器与传统传感器的对比图。图2分布式光纤传感器与传统传感器的对比图1.1瑞利散射介质通常为完全一致的原子亦或是分子构成。对于瑞利散射而言，由于其主要是因为入射光和介质内部存在的微观粒子，产生相应的弹性碰撞，从而形成。故此，其实际频率将完全等同于入射光的实际频率,并且散射前后分子结构与数量完全一致。实际上，散射光所表现出的实际强度，一般和入射光波长的四次方，呈现出一定的反比例关系。在此情况下，将主要通过光时域反射结构，针对实际被测空间，进行相对精准的定位。而对于瑞利散射而言，其基本原理为：通过光纤传输的光，将会于光纤芯表面的所有位点逐步消失，仅留下一部分，会沿着相反方向直接散射至光源。当针对多样化散射方法，进行更深层次的细致分析时，将能实时测量由于散射而造成的传输损耗量及其可能出现的的结构性损耗量,除此之外，通过针对显示损耗和光纤长度彼此之间的实质性关系，进行细致研究，能够实时检测出光纤表面存在的诸多干扰信息。通过光纤中存在的后向散射光，并辅以光时域反射计，能够针对光纤所涉及的多样化特性，进行实时测量。实际上，后向散射技术的基本作用，在于将相对较高的功率激光脉冲，融于光纤，其次，即刻检测某光纤直线返回的散射光实际功率。该技术起源于1977年，主要通过Barnoski博士进行自主研发。在研究初期，这项技术主要针对光纤及其耦合器等元件的诸多性能，实现进一步的评价。并判定光纤的实时损失，其具体结构示意图，详见图2。在此过程中，涉及到的基本原理如下:首先，光源位置会发出相对较窄的高强度光脉，使其融于光纤,其次，基于耦合器，将光传递至被测物理场。事实上，瑞利散射反射光的出现，本质上是因为光纤折射率，存在一定的微观不均匀性，从而生成。探测器检测到返回的散射光并记录。图2背向散射光纤分布式传感器原理图1.2拉曼散射拉曼散射通常发生在由原子或离子以某种方式在分子内部移动(振动或旋转)的纯介质中。分子内粒子不停做相对运动,会导致诱发电偶极矩随时间的周期性调制,从而导致入射光的散射。当出现单色入射光时，散射光将会相对于入射光，进行移动并产生相应的频率，然而，其频移却等同于调制频率，这和散射分子内部的具体构成及其实际运动规律，存在较为明显的关联。对于分布式光纤拉曼测温系统而言，其主要通过拉曼散射光所表现出的温度效应为基础，进行温度的实时测量。一般情况下，如果光源已经融于光纤，则在此情况下，因为光纤的材质相对粗糙，将直接造成折射率的不稳定,从而促进光子和分子之间，发生一系列相互作用，从而形成后向拉曼散射光。除此之外，外部温度的实时变化，也将影响到后向拉曼散射光实际强度的改变。故此，对于拉曼散射光而言，只需基于光电探测器，就能对该光的实际强度进行精确检测，来获得温度场涉及的相关信息。其中，分布式光纤温度传感器的基本原理示意图，详见图3。耦合器会将后向散射光，传递至雪崩光二极管,并转化为相应的电信号。图3基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理图1.3布里渊散射对于任何一种纯介质,由于质量群的连续热运动,布里渊散射一直受到不同程度的弹性振动或声波场的影响。通常情况下，连续介质的宏观机械振动，其基本含义在于介质的实际密度，会由于时间的推进，而发生周期性的波动，造成入射光出现散射现象。实际上，散射光的实际频移及其相应的散射角，都与介质所涉及的诸多声学特性息息相关。因为介质内部发生的自发热运动，而直接形成的弹性声波场相对较弱,故此，观测难度将显著增加。在此情况下，主要选择法布里-珀罗干涉仪，针对实时频率，进行细致检测，详见图4。图4相干检测原理图最近几年来,一些专家研究出名为光时域分析的新型技术。顾名思义，该技术主要通过光时域反射技术中所涉及的基本原理为基础，才得以研发出来。这项技术的基本特点，在于将光信号基于光纤左右两端进行输入。首先，光纤右侧部位的激光器，发出一串连续光，并将其输入光纤,其次，通过一定的时间延迟，再将光纤右侧位置的激光器，发出一个光脉冲，并将其输入光纤,这两者之间相互作用，共同受到外部物理量范围的局限性。此外，基于光电探测器，能够实时检测连续光的实际强度。探测到的光强与空间位置的相关性也可以由光脉冲的发射时间与探测时间的时间差来决定。即得到测量到的物理量在光纤上的分布。图5是实现布里渊光时域分析技术的具体框图示意图。图5 BOTDA技术原理框图2智能电网现如今，中国经济正在不断蓬勃发展，人们的工作与生活，都对电力存有极大的依赖。在此背景下，积极构建具备相对较高安全性与稳定性的电力网，已经成为当前电力领域亟待解决的根本问题。2007年,华东电网作为先锋,开始了对智能电网的研究,并提出了三个战略步骤:2010年建成高级调度中心;2020年,建成具备初阶智能的数字化电网;直到2030年,希望我国的智能电网能够具备独立的自愈能力。但由于我国国土面积较大,电力网分布广,资源分布不均匀,电网的很多设施都比较老旧,处于初级阶段,导致了智能电网的发展还处于一个不平衡的阶段,其中仍然存在了很多缺陷和不足。如:无法准确定义具有我国特色的智能电网;一些建设智能电网的关键技术还未解决;新技术需要全面应用到传统的智能电网中。智能电网是指把传统电力网逐步实现智能化，通过引入信息技术及其多样化计算机技术等，切实保障电网能够安全高效的运行,让其拥有自愈性、可控性、快速性,能够抵抗攻击,满足用户的电能质量等。在智能电网的主要技术特征中,本文主要结合信息化与自动化进行论述。智能电网的信息化尤为重要,许多非实时信息需要转化为实时信息,如当自然灾害侵袭导致电网设施发生故障险情时,需要及时获得信息,以便电网工作人员及时排除故障,处理险情。其次,自动化也是智能电网发展的主要方向。我国专家学者认为,智能电网需具备自我修复的能力,对突然发生的自然灾害能够进行有效的抵御。这两点特征即是将分布式光纤传感技术引入智能电网的目的,进而改善提高智能电网的自动化和信息化,对智能电网的建设和完善起到促进作用。3分布式光纤在智能电网中的应用随着全球经济快速发展,我国成为世界第一大发电国,发电量的日益增加,这意味着中国的电力行业，必须实现高电压以及大容量，然而，电力系统的发电效率和安全显得尤为重要。因此,为了使电力系统安全可靠的生产运行,将分布式光纤传感技术与电力网相结合,其目的是健康性监测和重大灾害预警。例如，当发生雪灾的情况下，假设能够实时监测电力系统及其铁塔等相关设备的多样化参数，就能早点排除相应的风险,保证国家财产安全。因此,分布式光纤传感技术将在电力系统中将得到广泛的应用。3.1分布式光纤塔线结构监测因其瑞利散射的特征,通常将基于瑞利散射的分布式光纤用于分析输电塔线的温度、应力情况,监测其结构健康。利用将光时域反射测试技术,联合变电站机房内部系统,将通信光缆接口和室外OPGW(Optical Fiber composite Overhead Ground Wire)光缆连接,建立OPGW光纤输电线路监测系统。通过此系统可以24小时对输电线路的温度、应力、振动进行分布式监测,得到的数据可以通过光时域反射系统自动传回计算机,并实时记录,后台会自动分析输电线路的温度、应力、振动情况,得出输电线路是否处在覆冰、舞动、过载等状况,评估输电线路的各项指标是否处于安全范围,一旦发现异常,系统自动预警,以便维修人员及时发现抢修,避免事故进一步扩大,造成不可估量的损失。图2光时域反射监测系统3.2分布式光纤电缆测温系统拉曼散射对温度敏感,一般应用于对电缆的测温系统中。电缆是电力系统的重要组成部分,因为在高压输电的背景下，无论是电压及其电流，都相对较高，并且伴随着极强的磁场,传统的红外成像仪、热电阻式测温系统只能在局部位置测量温度,无法对全线温度进行监测,无法保障安全经济运行,也不能为电网工人检修时提供精确依据。而分布式光纤传感器反应的时间短,测量的精度高,不受电流磁场干扰,可以实现对目标温度的多点、迅速精准测量,并能完成在线跟踪监测，有效规避电缆高温及其相关爆炸事故的发生。在国内,分布式光纤电缆测温系统主要应用于电气设备的不良接触的发热部位,电缆中间接头、电缆隧道、发电机、变压器等,都是利用基于光时域反射技术的拉曼散射分布式光纤温度传感技术,系统框图如图6所示。图6分布式光纤温度传感器原理图对于电缆而言，其在进行实际运行的过程中，线芯的实际温度，通常会由于过负荷，而迅猛攀升,加速绝缘老化,减少其使用寿命,甚至发生热击穿等现象已经成为电力系统中一个普遍的问题。因此,利用分布式光纤在线监测电缆的沿线温度显得尤为重要。另外,传统的测温系统和通信传输是将电力线和光缆分别铺设的,信息用载波和微波的方式分别传输,这样的工作量巨大,造价颇高,信息也不能实时传输,达不到实时性监测,失去了对故障的预警和及时检修。目前,我国的专家和学者已经研究了用传感光缆代替原有的电缆和光缆。光和电一起传输,与高电压、高电流导线单元和传输光信号的光纤单元结合。使光、电、传感器传输三合一,实现了电能、光信息和传感器的同时、同路、同走向传输。实现对电力设施的实时在线测温,保障诸多电力设备能够安全稳定的运行。现如今，光电缆正在开始逐渐推行，详见图11。图11光电缆于当前110 kV、35 kV、10 kV 电网线路中的实际应用3.3分布式光纤台风风速监测系统沿海地区的输电线路长期承受很大的风荷载,输电线缆不断经受高频大风振动以及自身老化的原因,时常发生线路故障导致停运。因此利用分布式光纤测风系统,实时监测受风时间、线路老化两方面的情况显得至关重要。建立分布式光纤测风系统,利用OPGW 和相位敏感光时域反射仪设备组成风速传感测量系统。通过分析探测其散射信号的特征,得到线路振动相关的信息,在快速傅里叶变换后,对提取线的振动特性线谱进行了处理,并利用回波时间的差异完成了监测位置的检测,可以根据卡尔曼涡旋的原理计算风速,从而实现对全线路的风速同步监测。将预警系统和风速监测系统联合,监测到风速超过电缆承受能力时,预警系统及时发布预警信息,同时发布的实时计算的全线风灾损耗风险排序,供灾后巡检提供参考依据。图1展示了某台风期监测的平均风速和最大风速与邻近气象站的风速对比图。图1风速时间演化图结束语若想积极推进电网尽快实现智能化，则应该从多功能及其高精度入手，并力求达到长距离与低功耗的实际要求，在低成本的前提下，快速传输和运行,其解决的途径包括研究新型传感机理、结构以及设计光器件,以实现电网更高的智能化。今后,新一代分布式光纤以及传感系统与智能电网结合时总体发展趋势,是实现快速、实时、可靠、高级的智能电网的核心所在。