1、個人收集整理勿做商業用途聊城供電公司110kV松江變電站高壓電纜溫度在線監測預警系統研制報告項目名稱：松江站高壓電纜溫度在線監測預警系統驗收單位：聊城供電公司2012年9月個人收集整理 勿做商業用途一、立項的背景及其目的、意義 . 2二、國內外研究現狀 3三、技術路線 43。1 產品構成及描述 43.1。1 產品構成 43.1。2 產品構成描述 53.2 技術原理 5光纖溫度傳感原理 6四、主要研究內容 84。 1 光源 94.2 激光驅動部分 94。 3 傳感光纖 104.4 分光裝置 104。4.1 光耦合器設計 . 114.4。 2 Raman濾光片設計 114。 5 光接收部分 124

2、。 6 A/D 轉換器部分 124。 7 基于嵌入式系統的數字信號處理 134。 8 計算機部分 134。 9 恒溫裝置 錯誤! 未定義書簽。五、項目研制進度 14個人收集整理 勿做商業用途由聊城供電公司與威海北洋電氣集團股份有限公司合作開發的松江站高壓 電纜溫度在線監測預警系統在各有關業務部門及領導的大力支持下， 經過科研人 員的共同努力，已圓滿完成任務 .2012年7月系統在聊城供電公司110kV松江站進行了安裝使用，主要對變電 站的10kV、35kV主干電纜、電容器主干電纜、電纜夾層及接地變線路進行統一 的溫度實時在線監測。系統采用分布式光纖測溫技術，具有連續測溫功能， 采集 到的溫度數

3、據、曲線可以實時顯示并自動存儲 ,歷史數據可以進行歸類和分析， 并由此找出規律性問題， 給運行管理提供可靠依據。 探測光纜完全無緣的特點也 特別適用于高壓、高電磁環境下的變電站內。一、立項的背景及其目的、意義近十年來，擠塑型電力電纜特別是 XLPE電力電纜由于其絕緣性能好、易于 制造、安裝方便、供電安全可靠、有利于城市和廠礦布局等優點，在城市電網中 得到廣泛使用。但是這種電纜的絕緣結構中往往會由于加工技術上的難度或原材 料不純而存在氣隙和有害性雜質， 或者由于工藝原因在絕緣與半導電屏蔽層之間 存在間隙或半導電體向絕緣層突出，在這些氣隙和雜質尖端處極易產生局部放 電，同時在電力電纜的安裝和運行過

4、程當中也可能會產生各種絕緣缺陷導致局部 放電。由于XLPE等擠塑型絕緣材料耐放電性較差,在局部放電的長期作用下，絕 緣材料不斷老化最終導致絕緣擊穿，造成重大事故。據有關資料統計， 電力系統 中的電力電纜絕緣缺陷主要來自其接頭。 目前的電纜系統基本上沒有配套的測溫 設備。但隨著近年來電纜發電負荷不斷增加 , 建設工期過分緊張也造成了事故隱 患, 電纜發生擊穿和火災的情況不斷發生。長春電力局由于沒有及時安裝監測和火警預警系統 , 發生了嚴重火災，造成的直接損失上億元。這次事故給全國的電 力系統敲響了警鐘。目前重慶、 北京等電力局紛紛更新電纜系統規范， 要求分布 式監測設備作為電纜的配套產品參與投標

5、。 無錫、上海等用電量大的電力局也積 極組織技術研討和技術合作開發監控系統。 本文為互聯網收集，請勿用作商業用途個人收集整理， 勿做商業用途在電纜的安裝和長期運行中可能會產生各種絕緣缺陷導致局部放電，由于 XLPE 等擠塑型絕緣材料耐放電性較差，在局部放電的長期作用下，絕緣材料不 斷老化最終導致絕緣擊穿，造成重大事故。因此對有效地對電纜溫度進行監測 , 對于保障電纜的安全使用具有重要意義。二、國內外研究現狀目前國際上普遍采用的是分布式在線電纜監測系統， 主要通過全程測量電纜 溫度發現異常點的方法及火警報警系統配合的方式來監控電纜系統的運行情況 . 國內還處于起步階段， 由于前期電力建設不足，

6、現有的系統電壓負載并不是很高， 目前的電纜系統基本上沒有配備這樣的設備 . 但隨著近年來電纜發電負荷不斷增 加，建設工期過分緊張也造成了事故隱患， 電纜發生擊穿和火災的情況不斷發生。 另外由于目前國際國內可以提供的溫度監測設備，不但價格昂貴 ,且不能明確 , 快速的轉化成有效信息和分析結果 , 難以滿足電力企業安全性能高、使用方便的 需要, 迫切需要開發高效耐用、操作簡便 , 安全系數高的電力監測管理系統。三、技術路線松江站高壓電纜溫度在線監測預警系統是由威海北洋電氣集團股份有限公 司（以下簡稱威海北洋電氣）研制開發，集先進的分布式光纖溫度傳感技術、計 算機控制、測量數據處理和自動控制技術等于

7、一體的高新技術產品。其技術路線概要如下：采用先進的計算機信號處理技術、電子技術、納秒脈沖激光器調制技 術和光電轉換技術完成主機設計，根據專利算法完成測量數據的處理，借助特殊制作的探測光纜完成高精度電纜溫度在線監測系統 3.1產品構成及描述 3。 1.1產品構成本項目系統主要由主機及探測光纜組成。脈沖光源*雙向耦合器探御光境濾波器APD計算機放大器數據采集處理監控主機3。1。2 產品構成描述（1） 主機部分主機部分由光源、 光纖波分復用系統以及光電接收和放大模塊、 信號采集和 處理模塊等構成。光源模塊采用脈沖激光器。光纖波分復用系統：由1 x 3雙向光纖耦合器（BDC和濾波器（多光束 干涉型高隔

8、離度光學濾光片 ） 組成.光電接收、放大模塊：由帶尾纖和前置放大器的光電雪崩二極管（APD）以及高增益、寬帶、低噪聲的放大器組成。信號采集和處理模塊可以分為硬件和軟件兩部分， 其中硬件由數據采集處理和計算機構成； 軟件 由數據采集控制和數據采集程序、 保存和管理數據的數據庫管理系統、 數據處理 和顯示軟件共三部分構成。（ 2）探測光纜探測光纜既感測溫度信號又傳輸信號，光纖不帶電 , 抗射頻和電磁干擾，防 燃，防爆，抗腐蝕，耐高溫和強電磁場，抗電磁輻射，能在有害環境中長期安全 運行。3.2 技術原理本項目系統是一種用于實時測量電纜溫度的電纜溫度在線監測系統。主要 針對電力高壓電纜進行安全監測 .

9、 分布式光纖傳感器是近年來開始研究的新型傳 感技術，它既具有光纖的不帶電、 抗射頻、抗電磁場干擾、 防燃、防爆、抗腐蝕、個人收集整理勿做商業用途耐高電壓、耐電離輻射及具有大信號傳輸帶寬等優點，又突破了點式傳感的限制, 可以同時獲得被測量對象測量參數的空間分布及其隨時間變化的信息。3。 2。1光纖溫度傳感原理光纖傳感技術是伴隨著光通信技術的發展而逐步形成的。在光通信系統中， 光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質這時，要求光纖傳輸的光信號受外界干 擾越小越好。但在實際的光傳輸過程中，光纖受外界環境因素如溫度、壓力、電 磁場等的影響會引起光纖光波參數如光強、相位、頻率、偏振、波長等的變化 如果測量出這

10、些光波參數的變化，就可以獲得導致這些光波參數變化的外界影響 因素的物理量的大小，實現光纖傳感測量。3。2。1.1光時域反射原理光纖溫度傳感原理的主要依據是光纖的光時域反射（OTDR原理以及光纖 的背向Rama散射溫度效應.如圖1.1所示。光源| 丄肛被測溫庫場f I耦合器捕兀針1光時域反射傳感原理當一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播， 在傳播中的每一點都會產生反射，反射之中有一小部分反射光的方向正好與入 射光的方向相反（亦可稱為“背向”）。這種背向反射光的強度與光纖中反射點 的溫度有一定的相關關系。反射點的溫度 （該點光纖的環境溫度） 越高，反射光的強度也越大。也就

11、是說，背向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。3。 背向散射基于DTS勺電纜溫度在線監測系統是利用光纖中的自發 Rama散射的反斯托克斯光與溫度緊密相關的原理，通過檢測激光脈沖在光纖中傳播時產生的反斯托 克斯信號（Anti-Stokes光）和斯托克斯散射光信號（Stokes光）的比值來獲得 光纖上的溫度信息.由于Anti Stokes散射對溫度特別敏感，而Stokes散射與溫度無關。為了消除光源不穩定及光纖彎曲接頭損耗對散射強度的影響，提高測溫準確度，在系統設計中采用雙通道雙波長比較的方法 ,即將Anti-Stokes作為信號通道，Stokes作為參考通道，對二者分別進行采集并檢測二者的比值，

12、則測量點的溫度為1T0kNa(T)Ns(T。)廠ln Na(To)Ns(T)。同時由于激光功率沿光纖的損耗較小，所以測量距離較長，一般可達數公里，最長可以達到數十公里以上。同時，還要根 據接收的光功率確定當前測量溫度值的位置，而此時的測量距離是時間的函數, 則接收的光功率也表示為時間的函數。若以激光脈沖注入光纖的瞬間為計時開 始，即z=0處t=0，則在t時刻系統測量終端接收到的反斯托克斯和斯托克斯信號1在光纖上所處的空間位置為z 2Vgt，測量時刻不同，測量終端接收的光功率也對應著傳感光纖的不同空間位置；傳感光纖的空間位置從z=0增加至z=L （L為傳感2L光纖長度），對應的測量時刻從t=0到

13、區，在系統測量終端實現了傳感光纖所處環境溫度的分布式測量。從而可以確定整個溫度場的分布。本文為互聯網收集，請勿用作 商業用途個人收集整理，勿做商業用途后向Rama散射光信號非常微弱是分布式光纖測溫技術的一個基本特點，也正是它決定了分布式光纖測溫系統的難度。它一方面要求光發射機能夠提供大功個人收集整理勿做商業用途率光脈沖，同時要求復雜的光接收和信號處理電路。這就要求在進行系統設計時， 要最大限度利用反斯托克斯光信號的強度， 協調系統各部分參數的分配，以滿足 對系統測溫精度、測溫范圍、空間分辨率、測量長度和測溫時間等方面的要求。四、主要研究內容松江站高壓電纜溫度在線監測預警系統如圖1.2所示在該系

14、統中，光纖即作為傳輸介質又作為傳感器來使用系統由光學部分（包 括脈沖驅動電源、激光發射、光纖定向耦合器、傳感光纖、光學分光器件、光電 檢測部分）、信號采集和處理部分（包括信號放大、模數轉換和數據采集及處理） 和計算機及顯示等組成，其中每一部分都有其特殊的要求 只有各部分性能達到 設計測量要求，才能使系統正常運作。傳感光纖布置在待測溫度場中，由計算機 控制電路發出脈沖，啟動脈沖驅動電流源及半導體激光器 （LD）工作。LD俞出通 過雙向耦合器和波分復用器，把激光發射到光纖中。隨測量現場情況不同，攜帶光纖實時溫度信息的Rama散射光會沿光纖反射回來，由光電二極管APD寸這些散 射光進行采集，實現光電

15、轉換。由于 Rama散射光比較弱，需要放大器對其信號 進行放大處理 . 然后模數轉換器將測量結果轉換為數字量后用計算機進行處理。 計算機部分由工控機加數據采集處理板組成。 數據采集處理板包括信號放大、 A/D 轉換和DS等部分.工控機完成數據顯示、輸出報警和聯網等功能。考慮到系統與 其它應用及監控中心的綜合使用,提供了標準的以太網接口，通過TCP/IP協議可 以方便的與計算機局域網連接在一起。4。 1 光源光源部分的功能是產生大功率的光脈沖輸入到光纖中。 由于反斯托克斯散射 光信號和斯托克斯散射光信號非常弱， 而且傳感光纖具有傳輸損耗 (1.0dB/km1。5 dB/km), 所以發射的激光信

16、號功率要大，脈沖式激光器工作頻率不應太高，為 保證對傳感光纖背向散射信號的兩次采樣不至于相混， 也要求兩次采樣脈沖信號 時間間隔大于2L/Vg。(其中L為傳感光纖總長)。而后向Rama散射光的強度與激 光器的中心波長有關，所以要選擇合適波長使 Rama散射光最強。系統設計采用 半導體激光器，波長980nm最大平均功率2。2mW/4.2 激光驅動部分LD驅動電路主要涉及脈沖功率、脈沖寬度和脈沖重復頻率等參數的設計。光 脈沖寬度主要根據系統的空間分辨率指標確定。空間分辨 率是沿光纖長度分布的溫度場進行測量所能分辨的最小空間單位 , 由脈沖光的持 續時間 t所能決定的空間分辨率為： L=A t v/

17、2。光源的輸出脈沖越窄，得 到的分布式光纖傳感器的空間分辨率越高； 光源輸出的功率幅值越大， 溫度傳感個人收集整理勿做商業用途器的溫度分辨率越高，光脈沖在測量用傳感光纖中的傳播距離越長，說明測量的空間范圍越大；光源的重復頻率越高，在對微弱的Rama斯托克斯和反斯托克斯信 號檢測時，單位時間內累積的次數就越多，信噪比改善就越高 ，用的時間則越少, 實時性愈強.采用雪崩晶體管設計的LD脈沖驅動電路如圖1.3所示圖13激光脈沖驅動電路設計脈沖寬度10ns,重復頻率5KHz4。 3傳感光纖光纖即作為傳輸介質，又作為分布式溫度傳感器采用50/125多模光纖，光纖內徑為50um 當波長980nm寸，衰減為

18、1。0dB/km-1.5dB/km。4.4分光裝置分光部分主要由1X 3光耦合器和Stokes、anti Stokes濾光片組成。1X 3 耦合器將注入光脈沖按一定的耦合效率耦合進光纖，并將光纖返回的后向散射光按預定比例輸入Stokes濾光片和anti-Stokes濾光片；濾光片分別濾出Stokes散 射光和anti-Stokes散射光并到接受部分處理。441光耦合器設計1x 3光耦合器工作原理如圖1.4所示其中2和3為Stokes散射光和anti Stokes散射光。設計分光比：U4=50%,U2+U3=5%,這時散射光最大.如果光纖沒有損壞，可以認為Stokes散射光和anti Stoke

19、s散射光功率相等.4.4.2 Raman濾光片設計為了充分利用激光器的能量,希望濾光片的半峰值全寬（FWHM盡量大;而 為提高系統溫度靈敏度，要求濾光片對其它波長區間的抑制比盡量高，即濾光片 的邊緣要陡。在光纖的后向散射光中包含瑞利后向散射光，Rama撕托克斯后向散 射光以及Rama反斯托克斯信號光。光濾波的作用就是抑制較強的瑞利背景光，取出攜帶溫度信息的反斯托克斯信號光以及作為參考光的斯托克斯后向散射光， 由于Rama頻移（ v = 440 cm 1）足夠大，用干涉濾光片就可以將斯托克斯參考 光、反斯托克斯信號光與瑞利光分開由于反斯托克斯光和瑞利光靠的過近，而強度相差過大，也難以將瑞利光完

20、全濾掉.所以，我們在能夠允許的插入損耗內讓透過的后向散射光經由三塊干涉 濾光片構成的Anti-Stokes濾波組件，取出Anti Stokes信號光，直接被APD探測, 反射的后向散射光經過一反射片改變光路被 Stokes濾波組件（三塊濾光片構成）濾掉較強的瑞利后向散射以及Anti Stokes信號光,取出Stokes參考光，直接被APD探 測。4。 5光接收部分由雪崩光電二極管（APD及放大器組成，功能是實現微弱光信號的接收和放 大。APD6電轉換的響應時間和放大電路的頻帶寬度都是影響系統空間分辨率的 重要因素。由接收部分決定的系統空間分辨率為：L -。當系統的空間分辨率指標要求為im光纖中

21、的光速是v=2* io8，則對應的探測光脈沖寬度應不大于 10n s,上升沿時間為1ns。一般放大電路是對電壓信號進行放大，故應把 APD勺輸出變成電壓信號.APD 的光電流到電壓的轉換是靠與之串聯的電阻 R 實現的。系統選用的硅AP啲結電容C為1pF,由此可得其光電轉換的時間常數為m =2nRC放大器采用低噪、高阻的MAX4107設計放大增益1*103。4.6 A/D轉換器部分A/D轉換器的精度對系統的分辨率有重要影響.通常情況下，我們認為，ADC 的量化誤差應小于最小可分辨的溫度變化量，這樣ADC勺處理才不會帶來進一步 的誤差。ADCS樣位數應滿足：2nA V Vmax-Vmin。所以，當溫度分辨率為1C 時,如果測量溫度變化范圍為400C，模擬信號相應最大為1V,則要采用10位的ADC. 我們設計溫度分辨率為0.01 C （實際完成0.05 C），測量溫度變化