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1、中文摘要 在本篇論文中，主要針對三類分布式光纖傳感技術(shù)的基本原理，進(jìn)行了更深層次的細(xì)致闡述。其中，主要涉及到技瑞利散射技術(shù)及其布里淵散射技術(shù)，與此同時，包含拉曼散射技術(shù)，并列舉出了其在智能電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用。由于我國電力網(wǎng)分布廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此無法做到對電力系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備、電纜線的全方位分布式實(shí)時監(jiān)測,導(dǎo)致了電纜線、輸電塔及其相關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過程中頻頻因溫度升高或自然災(zāi)害的侵襲,而發(fā)生短路、火災(zāi)、傾塌等故障。鑒于目前電力系統(tǒng)中這些缺陷和不足,通過收集閱讀近十年專家學(xué)者的相關(guān)文獻(xiàn),整理有關(guān)新型傳感技術(shù)——分布式光纖的大量文獻(xiàn)、論文、期刊等,仔細(xì)學(xué)習(xí)分布式光纖傳感技術(shù)的工作原理,將不同類型的分

2、布式光纖與智能電網(wǎng)結(jié)合,監(jiān)測電力網(wǎng)中電纜溫度并對故障預(yù)警,探測架空線路塔線應(yīng)力分布,為檢修工作人員提供便利,并切實(shí)保障電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的安全性及其可靠性，逐漸完善電力網(wǎng)中存在的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),建設(shè)更加完善的智能電網(wǎng)。 關(guān)鍵詞:分布式光纖;瑞利散射;拉曼散射;布里淵散射;智能電網(wǎng) 0引言 我國最大的社會基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)是電力行業(yè),為了保證國家的經(jīng)濟(jì)和人民的生活質(zhì)量穩(wěn)步增長,國內(nèi)的專家學(xué)者都致力于大力發(fā)展智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感技術(shù)和測量技術(shù)融合,利用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)保證電力網(wǎng)安全可靠的運(yùn)行。 目前我

3、國智能電網(wǎng)還處于發(fā)展階段,電力設(shè)施基礎(chǔ)相對薄弱,設(shè)備老舊。由于國土面積大,輸電線路常需要遠(yuǎn)距離架設(shè),輸電線纜除了要承載自身重量的機(jī)械力作用外,不僅需要建設(shè)在海拔高,常年積雪覆冰的地區(qū),還會受到惡劣天氣的影響,時常發(fā)生因覆冰、舞動以及雷擊引起的輸電架空線路跳閘或停運(yùn)故障。本文深入論述了分布式光纖的概念,整理了不同種類的分布式光纖的結(jié)構(gòu)以及工作原理,并與智能電網(wǎng)相結(jié)合,用特定的分布式光纖傳感技術(shù)解決目前電力網(wǎng)中存在的缺陷和不足。將分布式光纖應(yīng)用于智能電網(wǎng)中可以在線監(jiān)測電纜橋架、隱蔽地溝中的電纜,開關(guān)柜內(nèi)溫度等,還可以對架空線纜的塔線結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行探測。由此可見,將分布式光纖應(yīng)用于智能電網(wǎng)相中,不僅提

4、高了智能電網(wǎng)的安全可靠性,還可以對故障進(jìn)行預(yù)警。因此,本文對分布式光纖在智能電網(wǎng)中的研究與應(yīng)用具有實(shí)際參考意義 1分布式光纖傳感技術(shù) 分布式光纖傳感技術(shù)是目前主要研究發(fā)展的一項(xiàng)新型技術(shù),它的原理是利用光纖感知到信號的時候?qū)⑿盘杺鬏敺祷?較傳統(tǒng)點(diǎn)式光纖傳感器的工作原理而言,分布式光纖傳感器可以測量光纖上成千上萬個點(diǎn)的溫度和應(yīng)變信息,達(dá)到分布式測量。分布式光纖溫度傳感器的工作原理是利用光纖中光散射的溫度特性以及光時域反射測量技術(shù),將較高的功率窄帶光脈沖送入光纖中,檢測并記錄下后向散射光強(qiáng)度隨時間的變化。通常情況下，對于一般的分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，其能夠基于距離參數(shù)，通過連續(xù)函數(shù)的具體形式，

5、針對光纖表面各個位置的實(shí)時溫度，進(jìn)行相對精準(zhǔn)的測量。 現(xiàn)如今，對于常見的分布式光纖傳感技術(shù)而言，主要可以將其分為三種類型。其中，涉及到技瑞利散射技術(shù)及其布里淵散射技術(shù)，與此同時，包含拉曼散射技術(shù)。實(shí)際上，光纖所表現(xiàn)出的散射光譜線，通常存在于激發(fā)線兩側(cè)，并通過對稱形式呈現(xiàn)出來，詳見圖1。對于瑞利散射而言，其主要由于入射光和介質(zhì)內(nèi)部存在的微觀粒子，產(chǎn)生相應(yīng)的彈性碰撞，從而形成。值得一提的是，散射光和入射光的實(shí)際頻率，在本質(zhì)上完全一致。而對于拉曼散射及其布里淵散射兩種方式而言，均屬于非彈性散射的范疇,能夠針對入射光的實(shí)際波長，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的改變。除此之外，對于拉曼散射光來說，其一般涉及到兩個參數(shù)：其中

6、，斯托克斯光主要發(fā)生于不高于入射波光波的實(shí)際頻率分量情況下，以此類推，反托克斯光主要發(fā)生于不低于入射波光波的實(shí)際頻率分量狀態(tài)下。 圖1光纖中的后向散射1 經(jīng)過十幾年的研究,分布式光纖溫度傳感器的測量技術(shù)難度、溫度測量精度和指標(biāo)以及溫度測量的現(xiàn)狀和范圍都有了新的提高。圖2為分布式光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器的對比圖。 圖2分布式光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器的對比圖 1.1瑞利散射 介質(zhì)通常為完全一致的原子亦或是分子構(gòu)成。對于瑞利散射而言，由于其主要是因?yàn)槿肷涔夂徒橘|(zhì)內(nèi)部存在的微觀粒子，產(chǎn)生相應(yīng)的彈性碰撞，從而形成。故此，其實(shí)際頻率將完全等同于入射光的實(shí)際頻率,并且散射前后分子結(jié)構(gòu)與數(shù)量

7、完全一致。實(shí)際上，散射光所表現(xiàn)出的實(shí)際強(qiáng)度，一般和入射光波長的四次方，呈現(xiàn)出一定的反比例關(guān)系。在此情況下，將主要通過光時域反射結(jié)構(gòu)，針對實(shí)際被測空間，進(jìn)行相對精準(zhǔn)的定位。而對于瑞利散射而言，其基本原理為：通過光纖傳輸?shù)墓?，將會于光纖芯表面的所有位點(diǎn)逐步消失，僅留下一部分，會沿著相反方向直接散射至光源。當(dāng)針對多樣化散射方法，進(jìn)行更深層次的細(xì)致分析時，將能實(shí)時測量由于散射而造成的傳輸損耗量及其可能出現(xiàn)的的結(jié)構(gòu)性損耗量,除此之外，通過針對顯示損耗和光纖長度彼此之間的實(shí)質(zhì)性關(guān)系，進(jìn)行細(xì)致研究，能夠?qū)崟r檢測出光纖表面存在的諸多干擾信息。 通過光纖中存在的后向散射光，并輔以光時域反射計(jì)，能夠針對光纖所涉

8、及的多樣化特性，進(jìn)行實(shí)時測量。實(shí)際上，后向散射技術(shù)的基本作用，在于將相對較高的功率激光脈沖，融于光纖，其次，即刻檢測某光纖直線返回的散射光實(shí)際功率。該技術(shù)起源于1977年，主要通過Barnoski博士進(jìn)行自主研發(fā)。在研究初期，這項(xiàng)技術(shù)主要針對光纖及其耦合器等元件的諸多性能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的評價。并判定光纖的實(shí)時損失，其具體結(jié)構(gòu)示意圖，詳見圖2。在此過程中，涉及到的基本原理如下:首先，光源位置會發(fā)出相對較窄的高強(qiáng)度光脈，使其融于光纖,其次，基于耦合器，將光傳遞至被測物理場。事實(shí)上，瑞利散射反射光的出現(xiàn)，本質(zhì)上是因?yàn)楣饫w折射率，存在一定的微觀不均勻性，從而生成。探測器檢測到返回的散射光并記錄。

9、圖2背向散射光纖分布式傳感器原理圖 1.2拉曼散射 拉曼散射通常發(fā)生在由原子或離子以某種方式在分子內(nèi)部移動(振動或旋轉(zhuǎn))的純介質(zhì)中。分子內(nèi)粒子不停做相對運(yùn)動,會導(dǎo)致誘發(fā)電偶極矩隨時間的周期性調(diào)制,從而導(dǎo)致入射光的散射。當(dāng)出現(xiàn)單色入射光時，散射光將會相對于入射光，進(jìn)行移動并產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，然而，其頻移卻等同于調(diào)制頻率，這和散射分子內(nèi)部的具體構(gòu)成及其實(shí)際運(yùn)動規(guī)律，存在較為明顯的關(guān)聯(lián)。 對于分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)而言，其主要通過拉曼散射光所表現(xiàn)出的溫度效應(yīng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行溫度的實(shí)時測量。一般情況下，如果光源已經(jīng)融于光纖，則在此情況下，因?yàn)楣饫w的材質(zhì)相對粗糙，將直接造成折射率的不穩(wěn)定,從而促進(jìn)光子和

10、分子之間，發(fā)生一系列相互作用，從而形成后向拉曼散射光。除此之外，外部溫度的實(shí)時變化，也將影響到后向拉曼散射光實(shí)際強(qiáng)度的改變。故此，對于拉曼散射光而言，只需基于光電探測器，就能對該光的實(shí)際強(qiáng)度進(jìn)行精確檢測，來獲得溫度場涉及的相關(guān)信息。其中，分布式光纖溫度傳感器的基本原理示意圖，詳見圖3。耦合器會將后向散射光，傳遞至雪崩光二極管,并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。 圖3基于自發(fā)拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理圖 1.3布里淵散射 對于任何一種純介質(zhì),由于質(zhì)量群的連續(xù)熱運(yùn)動,布里淵散射一直受到不同程度的彈性振動或聲波場的影響。通常情況下，連續(xù)介質(zhì)的宏觀機(jī)械振動，其基本含義在于介質(zhì)的實(shí)際密度，會由于時

11、間的推進(jìn)，而發(fā)生周期性的波動，造成入射光出現(xiàn)散射現(xiàn)象。實(shí)際上，散射光的實(shí)際頻移及其相應(yīng)的散射角，都與介質(zhì)所涉及的諸多聲學(xué)特性息息相關(guān)。因?yàn)榻橘|(zhì)內(nèi)部發(fā)生的自發(fā)熱運(yùn)動，而直接形成的彈性聲波場相對較弱,故此，觀測難度將顯著增加。在此情況下，主要選擇法布里-珀羅干涉儀，針對實(shí)時頻率，進(jìn)行細(xì)致檢測，詳見圖4。 圖4相干檢測原理圖 最近幾年來,一些專家研究出名為光時域分析的新型技術(shù)。顧名思義，該技術(shù)主要通過光時域反射技術(shù)中所涉及的基本原理為基礎(chǔ)，才得以研發(fā)出來。這項(xiàng)技術(shù)的基本特點(diǎn)，在于將光信號基于光纖左右兩端進(jìn)行輸入。首先，光纖右側(cè)部位的激光器，發(fā)出一串連續(xù)光，并將其輸入光纖,其次，通過一定的時間

12、延遲，再將光纖右側(cè)位置的激光器，發(fā)出一個光脈沖，并將其輸入光纖,這兩者之間相互作用，共同受到外部物理量范圍的局限性。此外，基于光電探測器，能夠?qū)崟r檢測連續(xù)光的實(shí)際強(qiáng)度。探測到的光強(qiáng)與空間位置的相關(guān)性也可以由光脈沖的發(fā)射時間與探測時間的時間差來決定。即得到測量到的物理量在光纖上的分布。圖5是實(shí)現(xiàn)布里淵光時域分析技術(shù)的具體框圖示意圖。 圖5 BOTDA技術(shù)原理框圖 2智能電網(wǎng) 現(xiàn)如今，中國經(jīng)濟(jì)正在不斷蓬勃發(fā)展，人們的工作與生活，都對電力存有極大的依賴。在此背景下，積極構(gòu)建具備相對較高安全性與穩(wěn)定性的電力網(wǎng)，已經(jīng)成為當(dāng)前電力領(lǐng)域亟待解決的根本問題。2007年,華東電網(wǎng)作為先鋒,開始了對智能

13、電網(wǎng)的研究,并提出了三個戰(zhàn)略步驟:2010年建成高級調(diào)度中心;2020年,建成具備初階智能的數(shù)字化電網(wǎng);直到2030年,希望我國的智能電網(wǎng)能夠具備獨(dú)立的自愈能力。但由于我國國土面積較大,電力網(wǎng)分布廣,資源分布不均勻,電網(wǎng)的很多設(shè)施都比較老舊,處于初級階段,導(dǎo)致了智能電網(wǎng)的發(fā)展還處于一個不平衡的階段,其中仍然存在了很多缺陷和不足。如:無法準(zhǔn)確定義具有我國特色的智能電網(wǎng);一些建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)還未解決;新技術(shù)需要全面應(yīng)用到傳統(tǒng)的智能電網(wǎng)中。 智能電網(wǎng)是指把傳統(tǒng)電力網(wǎng)逐步實(shí)現(xiàn)智能化，通過引入信息技術(shù)及其多樣化計(jì)算機(jī)技術(shù)等，切實(shí)保障電網(wǎng)能夠安全高效的運(yùn)行,讓其擁有自愈性、可控性、快速性,能夠抵抗

14、攻擊,滿足用戶的電能質(zhì)量等。在智能電網(wǎng)的主要技術(shù)特征中,本文主要結(jié)合信息化與自動化進(jìn)行論述。智能電網(wǎng)的信息化尤為重要,許多非實(shí)時信息需要轉(zhuǎn)化為實(shí)時信息,如當(dāng)自然災(zāi)害侵襲導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)施發(fā)生故障險(xiǎn)情時,需要及時獲得信息,以便電網(wǎng)工作人員及時排除故障,處理險(xiǎn)情。其次,自動化也是智能電網(wǎng)發(fā)展的主要方向。我國專家學(xué)者認(rèn)為,智能電網(wǎng)需具備自我修復(fù)的能力,對突然發(fā)生的自然災(zāi)害能夠進(jìn)行有效的抵御。這兩點(diǎn)特征即是將分布式光纖傳感技術(shù)引入智能電網(wǎng)的目的,進(jìn)而改善提高智能電網(wǎng)的自動化和信息化,對智能電網(wǎng)的建設(shè)和完善起到促進(jìn)作用。 3分布式光纖在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用 隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國成為世界第一大發(fā)電國,發(fā)電

15、量的日益增加,這意味著中國的電力行業(yè)，必須實(shí)現(xiàn)高電壓以及大容量，然而，電力系統(tǒng)的發(fā)電效率和安全顯得尤為重要。因此,為了使電力系統(tǒng)安全可靠的生產(chǎn)運(yùn)行,將分布式光纖傳感技術(shù)與電力網(wǎng)相結(jié)合,其目的是健康性監(jiān)測和重大災(zāi)害預(yù)警。例如，當(dāng)發(fā)生雪災(zāi)的情況下，假設(shè)能夠?qū)崟r監(jiān)測電力系統(tǒng)及其鐵塔等相關(guān)設(shè)備的多樣化參數(shù)，就能早點(diǎn)排除相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn),保證國家財(cái)產(chǎn)安全。因此,分布式光纖傳感技術(shù)將在電力系統(tǒng)中將得到廣泛的應(yīng)用。 3.1分布式光纖塔線結(jié)構(gòu)監(jiān)測 因其瑞利散射的特征,通常將基于瑞利散射的分布式光纖用于分析輸電塔線的溫度、應(yīng)力情況,監(jiān)測其結(jié)構(gòu)健康。 利用將光時域反射測試技術(shù),聯(lián)合變電站機(jī)房內(nèi)部系統(tǒng),將通信光纜接

16、口和室外OPGW(Optical Fiber composite Overhead Ground Wire)光纜連接,建立OPGW光纖輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)。通過此系統(tǒng)可以24小時對輸電線路的溫度、應(yīng)力、振動進(jìn)行分布式監(jiān)測,得到的數(shù)據(jù)可以通過光時域反射系統(tǒng)自動傳回計(jì)算機(jī),并實(shí)時記錄,后臺會自動分析輸電線路的溫度、應(yīng)力、振動情況,得出輸電線路是否處在覆冰、舞動、過載等狀況,評估輸電線路的各項(xiàng)指標(biāo)是否處于安全范圍,一旦發(fā)現(xiàn)異常,系統(tǒng)自動預(yù)警,以便維修人員及時發(fā)現(xiàn)搶修,避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大,造成不可估量的損失。 圖2光時域反射監(jiān)測系統(tǒng) 3.2分布式光纖電纜測溫系統(tǒng) 拉曼散射對溫度敏感,一般應(yīng)用于對電纜

17、的測溫系統(tǒng)中。電纜是電力系統(tǒng)的重要組成部分,因?yàn)樵诟邏狠旊姷谋尘跋?，無論是電壓及其電流，都相對較高，并且伴隨著極強(qiáng)的磁場,傳統(tǒng)的紅外成像儀、熱電阻式測溫系統(tǒng)只能在局部位置測量溫度,無法對全線溫度進(jìn)行監(jiān)測,無法保障安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,也不能為電網(wǎng)工人檢修時提供精確依據(jù)。而分布式光纖傳感器反應(yīng)的時間短,測量的精度高,不受電流磁場干擾,可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)溫度的多點(diǎn)、迅速精準(zhǔn)測量,并能完成在線跟蹤監(jiān)測，有效規(guī)避電纜高溫及其相關(guān)爆炸事故的發(fā)生。在國內(nèi),分布式光纖電纜測溫系統(tǒng)主要應(yīng)用于電氣設(shè)備的不良接觸的發(fā)熱部位,電纜中間接頭、電纜隧道、發(fā)電機(jī)、變壓器等,都是利用基于光時域反射技術(shù)的拉曼散射分布式光纖溫度傳感技術(shù),

18、系統(tǒng)框圖如圖6所示。 圖6分布式光纖溫度傳感器原理圖 對于電纜而言，其在進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行的過程中，線芯的實(shí)際溫度，通常會由于過負(fù)荷，而迅猛攀升,加速絕緣老化,減少其使用壽命,甚至發(fā)生熱擊穿等現(xiàn)象已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中一個普遍的問題。因此,利用分布式光纖在線監(jiān)測電纜的沿線溫度顯得尤為重要。另外,傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)和通信傳輸是將電力線和光纜分別鋪設(shè)的,信息用載波和微波的方式分別傳輸,這樣的工作量巨大,造價頗高,信息也不能實(shí)時傳輸,達(dá)不到實(shí)時性監(jiān)測,失去了對故障的預(yù)警和及時檢修。目前,我國的專家和學(xué)者已經(jīng)研究了用傳感光纜代替原有的電纜和光纜。光和電一起傳輸,與高電壓、高電流導(dǎo)線單元和傳輸光信號的光纖單元

19、結(jié)合。使光、電、傳感器傳輸三合一,實(shí)現(xiàn)了電能、光信息和傳感器的同時、同路、同走向傳輸。實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)施的實(shí)時在線測溫,保障諸多電力設(shè)備能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行?，F(xiàn)如今，光電纜正在開始逐漸推行，詳見圖11。 圖11光電纜于當(dāng)前110 kV、35 kV、10 kV 電網(wǎng)線路中的實(shí)際應(yīng)用 3.3分布式光纖臺風(fēng)風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng) 沿海地區(qū)的輸電線路長期承受很大的風(fēng)荷載,輸電線纜不斷經(jīng)受高頻大風(fēng)振動以及自身老化的原因,時常發(fā)生線路故障導(dǎo)致停運(yùn)。因此利用分布式光纖測風(fēng)系統(tǒng),實(shí)時監(jiān)測受風(fēng)時間、線路老化兩方面的情況顯得至關(guān)重要。 建立分布式光纖測風(fēng)系統(tǒng),利用OPGW 和相位敏感光時域反射儀設(shè)備組成風(fēng)速傳感測量系

20、統(tǒng)。通過分析探測其散射信號的特征,得到線路振動相關(guān)的信息,在快速傅里葉變換后,對提取線的振動特性線譜進(jìn)行了處理,并利用回波時間的差異完成了監(jiān)測位置的檢測,可以根據(jù)卡爾曼渦旋的原理計(jì)算風(fēng)速,從而實(shí)現(xiàn)對全線路的風(fēng)速同步監(jiān)測。將預(yù)警系統(tǒng)和風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合,監(jiān)測到風(fēng)速超過電纜承受能力時,預(yù)警系統(tǒng)及時發(fā)布預(yù)警信息,同時發(fā)布的實(shí)時計(jì)算的全線風(fēng)災(zāi)損耗風(fēng)險(xiǎn)排序,供災(zāi)后巡檢提供參考依據(jù)。圖1展示了某臺風(fēng)期監(jiān)測的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速與鄰近氣象站的風(fēng)速對比圖。 圖1風(fēng)速時間演化圖 結(jié)束語 若想積極推進(jìn)電網(wǎng)盡快實(shí)現(xiàn)智能化，則應(yīng)該從多功能及其高精度入手，并力求達(dá)到長距離與低功耗的實(shí)際要求，在低成本的前提下，快速傳輸和運(yùn)行,其解決的途徑包括研究新型傳感機(jī)理、結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)光器件,以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)更高的智能化。今后,新一代分布式光纖以及傳感系統(tǒng)與智能電網(wǎng)結(jié)合時總體發(fā)展趨勢,是實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時、可靠、高級的智能電網(wǎng)的核心所在。