分布式光纖光纜測溫的現(xiàn)場影響因素研究

楊曉輝，周 陽，劉懿瑩，張逸凡

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052； 2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

隨著我國電網(wǎng)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，輸電線路日益增加，因此其故障情況也自然成為了需要重點關(guān)注的對象。對輸電線路中電纜表面的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)電纜故障并采取有效措施，保障輸電線路的安全可靠運(yùn)行[1-3]。分布式光纖測溫系統(tǒng)(Distributed Optical Fiber Temperature Sensor System，DTS)具有防燃、防爆、抗強(qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)以及能夠?qū)崿F(xiàn)長距離和大范圍的分布式測量等優(yōu)點[4]，已逐漸被應(yīng)用于架空光纜溫度的在線監(jiān)測中，但隨之而來的是DTS的測溫精度是否能達(dá)到工業(yè)要求的疑問。

近年來，許多學(xué)者都對如何提高DTS在使用過程中的測溫精度進(jìn)行過研究[5-8]，但之前的研究多數(shù)都是基于DTS內(nèi)部構(gòu)造來提高其測溫精度，獲得的參數(shù)也多為實驗室條件下的參數(shù)。這方面的研究固然很重要，但將DTS應(yīng)用到不同的實際工程之中時，其可能會面對各種不同的工況。在不同的現(xiàn)場條件下，實驗室所測得的測溫精度也會由于現(xiàn)場條件的不同而發(fā)生變化。在考慮現(xiàn)場影響因素時，本文主要研究了當(dāng)使用DTS對光纜溫度進(jìn)行在線監(jiān)測時，用裸纖在實驗室中獲得的定標(biāo)參數(shù)能否較好地應(yīng)用于實際的光纜之中，以及架空光纜的弧垂和振動是否對DTS的測溫精度有較大影響。

1 基于拉曼散射的DTS工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工作原理

從量子理論的觀點來看，可以把拉曼散射看成入射光和介質(zhì)分子相互作用時，分子吸收或釋放聲子的過程[9]。此過程中入射光子會對聲子進(jìn)行吸收或者釋放，分子之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，最終會出現(xiàn)斯托克斯(Stokes)和反斯托克斯(Anti-Stokes)兩種與入射光頻率不同的光子。

基于拉曼散射的DTS是利用光纖背向拉曼散射的溫度效應(yīng)進(jìn)行測溫，拉曼散射光由兩種不同波長的Stokes和Anti-Stokes散射光組成，由于Anti-Stokes散射光對溫度變化比較敏感，會隨著溫度的改變而改變，而Stokes散射光對溫度變化不敏感[10]，因此可用Stokes光作為參考通道，用Anti-Stokes光作為信號通道，檢測出兩者光強(qiáng)的比值，然后再解調(diào)出溫度信息，從而達(dá)到測溫的目的[9-11]。

當(dāng)用激光器向光纖中注入激光時，距離光源l處的Stokes光強(qiáng)為[11-12]

Anti-Stokes光強(qiáng)為

式中：Is和Ias分別為Stokes和Anti-Stokes光強(qiáng)；Ks和Kas分別為由光纖的有效截面積、拉曼頻率下耦合器的耦合效率以及光纖的后向散射因子等決定的Stokes和Anti-Stokes系數(shù)；λs和λas分別為Stokes光與Anti-Stokes光波長；α0、αs和αas分別為光纖對入射光、Stokes光與Anti-Stokes光產(chǎn)生的傳輸損耗；l為從光纖入射端到被測點的距離；P(τ)為入射光的瞬時功率，τ為時間；τ0為激光脈沖寬度；T為光纖所處環(huán)境的溫度；Rs(T)和Ras(T)分別為Stokes和Anti-Stokes與光纖拉曼散射中光纖分子低能級和高能級上的粒子數(shù)分布有關(guān)的系數(shù)，是Stokes拉曼背向散射光與Anti-Stokes拉曼背向散射光的溫度調(diào)制函數(shù)：

式中：h為普朗克常量；Δv為光纖拉曼頻移；k為波爾茲曼常量。

忽略Anti-Stokes與Stokes光在光纖中傳播時的損耗系數(shù)的差異(認(rèn)為αas=αs)，將式(3)和(4)分別代入式(1)和(2)后得到Anti-Stokes與Stokes光強(qiáng)之比為[12]

化簡后可求得溫度為

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

DTS主要分為光路調(diào)制單元和數(shù)據(jù)采集處理單元，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中光路調(diào)制單元主要負(fù)責(zé)光路的搭建，含有現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的驅(qū)動電路將數(shù)字脈沖發(fā)送給激光器，激光器觸發(fā)發(fā)出脈沖光，經(jīng)過雙向耦合器和波分復(fù)用器分出Stokes光和Anti-Stokes光兩路光信號，然后通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行放大，再利用數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電信號進(jìn)行多次累加以降低噪聲增加信噪比，最后通過特定的算法解調(diào)出溫度信息，并發(fā)送到人機(jī)界面進(jìn)行顯示[4]。

圖1 DTS的構(gòu)成

2 實際光纜溫度監(jiān)測過程中部分影響因素的分析

在實際工作條件下，DTS所用的定標(biāo)參數(shù)多為實驗室所獲得的參數(shù)，若將在實驗室中用裸纖所獲得的定標(biāo)參數(shù)直接用于實際光纜，由于光纜的表皮具有一定的厚度，光纜和裸纖的包裝材質(zhì)也有所區(qū)別，可能會導(dǎo)致DTS實際使用過程中的測溫精度發(fā)生改變。DTS應(yīng)用于實際架空光纜的溫度監(jiān)測時，由于桿塔之間的間隙不同，還可能會導(dǎo)致光纜出現(xiàn)不同程度的弧垂，弧垂程度的不同可能也會影響DTS的測溫精度。同時架空光纜還會由于現(xiàn)場的風(fēng)速不同而產(chǎn)生不同頻率的振動，這也可能會影響DTS的測溫精度。

針對上述3種可能會對DTS在實際工作過程中產(chǎn)生影響的因素，我們做了以下3個實驗。

2.1 裸纖和光纜測溫對比實驗

由于架空光纜較粗，難以放入氣候箱中進(jìn)行實驗，所以在裸纖和光纜的對比實驗中使用的是全介質(zhì)自承式(All Dielectric Self Supporting，ADSS)光纜。實驗時，首先將裸纖與ADSS光纜里面的光纖進(jìn)行熔接，然后將40 m裸纖和40 m ADSS光纜放于多因子氣候箱中進(jìn)行測溫對比實驗，用氣候箱內(nèi)溫度的變化來模擬環(huán)境溫度的變化，研究在使用相同的定標(biāo)參數(shù)時，在同一溫度下裸纖和ADSS光纜的測溫結(jié)果。實驗裝置示意圖如圖2所示。

圖2 裸纖和ADSS光纜對比實驗示意圖

實驗中所用的定標(biāo)參數(shù)為裸纖在10 ℃時進(jìn)行定標(biāo)所獲得的參數(shù)。實驗時，將氣候箱內(nèi)的溫度分別調(diào)節(jié)到-20、-10、0、10、20、30、40和50 ℃，氣候箱內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)由二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計和數(shù)字多用表計算得出。為了盡量減小現(xiàn)場環(huán)境所帶來的影響，每改變一次溫度，都等待ADSS光纜和裸纖完全感受到了氣候箱中的溫度之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。記錄數(shù)據(jù)時，將每次穩(wěn)定后的狀態(tài)保持10 min，每隔1 min記錄一次二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的測溫結(jié)果、裸纖測溫結(jié)果和ADSS光纜測溫結(jié)果，然后取10次測溫數(shù)據(jù)的平均值作為該溫度下的測溫結(jié)果，結(jié)果如表1所示。

表1 裸纖和ADSS光纜測溫對比實驗結(jié)果

由表可知，裸纖和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計測溫結(jié)果之間總會存在一定的誤差，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，這個誤差是由于實驗所使用的DTS自身原因所造成的，此處就不再分析。但由ADSS光纜和裸纖的測溫結(jié)果差值可知，在10 ℃定標(biāo)時，兩者最初的差值已經(jīng)達(dá)到了1.34 ℃，當(dāng)后續(xù)改變氣候箱中的溫度時，兩者之間差值最小為0.87 ℃，最大達(dá)到了2.35 ℃，誤差仍然較大。

當(dāng)把實驗室中用裸纖所獲得的定標(biāo)參數(shù)直接用于實際光纜進(jìn)行測溫時，裸纖和光纜的測溫結(jié)果差值較大，會導(dǎo)致實驗室中獲得的DTS測溫精度在現(xiàn)場發(fā)生改變，即實驗室所獲得的定標(biāo)數(shù)據(jù)不能較好地用于工程實踐，同時也驗證了前面的猜想，由于光纜的表皮具有一定的厚度，光纜和裸纖的包裝材質(zhì)也有所區(qū)別，所以當(dāng)光纜和裸纖在同一環(huán)境溫度下時，其內(nèi)部光纖所感受到的溫度也會有一些差異。但從結(jié)果中也可發(fā)現(xiàn)，該偏差中存在一定的系統(tǒng)誤差，為了解決這種情況，我們可以對實驗室用裸纖獲得的參數(shù)加上一定的修正，將修正后的參數(shù)作為光纜的定標(biāo)參數(shù)，或是在條件滿足的情況下，直接用光纜進(jìn)行定標(biāo)，然后獲得光纜的實際定標(biāo)參數(shù)，這樣會提高DTS現(xiàn)場使用過程中的測溫精度。

2.2 光纜弧垂對測溫精度影響的實驗

實驗時，通過對光纖復(fù)合相線(Optical Phase Conductor，OPPC)光纜分別施加0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 t等7種不同程度的拉力，來模擬光纜實際工況下的弧垂情況。使OPPC光纜處于7種不同程度的弧垂?fàn)顟B(tài)，每種弧垂?fàn)顟B(tài)保持10 min，每隔1 min記錄一次現(xiàn)場環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和DTS測溫數(shù)據(jù)，然后將10次的溫度數(shù)據(jù)取平均值作為該弧垂高度下的溫度數(shù)據(jù)，具體的弧垂實驗示意圖如圖3所示，不同弧垂高度下的測溫結(jié)果如表2所示。

表2 不同弧垂高度下的測溫結(jié)果

圖3 弧垂實驗示意圖

由表2可知，在不同弧垂高度時，測溫結(jié)果絕對差值最小為0.049 ℃，最大為0.671 ℃，由于DTS在實際的測溫過程中本身就會存在一定系統(tǒng)誤差，即實驗結(jié)果的測溫絕對差值中還包含著一定的系統(tǒng)隨機(jī)誤差，說明不同弧垂高度對基于拉曼散射的DTS的測溫結(jié)果影響較小，在可接受的范圍內(nèi)。

2.3 光纜振動對測溫精度影響的實驗

實驗時，利用激振器對OPPC光纜施加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3和1.4 Hz的頻率，使光纜在不同的頻率下振動來模擬光纜在現(xiàn)場工況下的低頻振動情況。為了盡量減小現(xiàn)場環(huán)境溫度變化所帶來的影響，使每種振動頻率狀態(tài)保持10 min，每隔1 min記錄一次現(xiàn)場環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)和DTS測溫數(shù)據(jù)，然后取10次測溫數(shù)據(jù)的平均值作為該頻率下的測溫結(jié)果，現(xiàn)場環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)由二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計和數(shù)字多用表計算得出。振動實驗示意圖如圖4所示，不同振動頻率下振動的測溫結(jié)果如表3所示。

表3 不同振動頻率下振動的測溫結(jié)果

圖4 振動實驗示意圖

當(dāng)沒有振動時，DTS和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計測溫結(jié)果絕對差值為0.111 ℃，當(dāng)振動頻率從0.1 Hz加到1.4 Hz時，測溫結(jié)果的絕對差值最小為0.024 ℃，最大為0.229 ℃。由于DTS本身測溫系統(tǒng)誤差的存在，說明頻率小于1.4 Hz的光纜振動對基于拉曼散射的DTS測溫結(jié)果影響較小，在可接受范圍內(nèi)。

光纜在振動和弧垂情況下，測得的溫度發(fā)生變化，是由于內(nèi)部光纖會受到應(yīng)力發(fā)生彈光效應(yīng)，從而使光纖發(fā)生應(yīng)變并導(dǎo)致折射率的改變，而折射率變化又會導(dǎo)致光纖拉曼頻移和光傳輸損耗的變化，最終使Anti-Stokes和Stokes光強(qiáng)比Ias/Is發(fā)生改變，當(dāng)Ias/Is發(fā)生改變后，由式(6)計算得到的溫度T也會變化。然而由實驗可知，在實際情況下，這種由應(yīng)力導(dǎo)致的溫度變化較小，所以在實際工程條件下，應(yīng)力導(dǎo)致的測溫誤差可以被接受。

比較弧垂和振動實驗的結(jié)果可知，雖然輕微弧垂和低頻振動都對基于拉曼散射的DTS測溫結(jié)果影響較小，但相對于振動來說，弧垂的影響更加明顯。因為在振動情況下，光纖所受的應(yīng)力在周期性的變化，光纖受到動態(tài)應(yīng)變。而弧垂是在光纖上加載不變的應(yīng)力，光纖受到靜態(tài)應(yīng)變。相較于動態(tài)應(yīng)變，光纖靜態(tài)應(yīng)變下折射率的變化更大，從而導(dǎo)致最終計算得到的溫度值變化更大。

3 結(jié)束語

本文針對基于拉曼散射的DTS實際應(yīng)用于監(jiān)測光纜溫度過程中可能對測溫結(jié)果產(chǎn)生影響的幾種因素進(jìn)行了研究，主要是探究DTS在實驗室所獲得的定標(biāo)數(shù)據(jù)能否較好地用于工程實踐，以及現(xiàn)場光纜的弧垂和振動是否會對測溫結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

(1) 若將裸纖在實驗室條件下獲得的定標(biāo)參數(shù)直接用于現(xiàn)場的實際光纜中，相同溫度下，光纜的測溫結(jié)果和裸纖的測溫結(jié)果之間總是存在著一定的系統(tǒng)誤差，即實驗室所獲得的定標(biāo)數(shù)據(jù)不能較好地用于工程實踐。為了消除或減小這種誤差，可以將實驗室獲得地裸纖定標(biāo)參數(shù)加以適當(dāng)?shù)男拚蛑苯邮褂霉饫|獲得實際的定標(biāo)參數(shù)，然后再用于現(xiàn)場光纜，這樣能使DTS更好地適用于對光纜溫度的監(jiān)測，提高DTS在實際使用過程中的測溫精度。

(2) 雖然光纜的輕微弧垂和低頻振動對DTS測溫結(jié)果影響均較小，在實際工作中可被接受，但相對于振動來說，弧垂的影響會更加明顯，也說明了靜態(tài)應(yīng)變比動態(tài)應(yīng)變對測溫結(jié)果的影響更加明顯。