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1、个人收集整理勿做商业用途聊城供电公司110kV松江变电站高压电缆温度在线监测预警系统研制报告项目名称：松江站高压电缆温度在线监测预警系统验收单位：聊城供电公司2012年9月0个人收集整理 勿做商业用途一、立项的背景及其目的、意义 . 2二、国内外研究现状 3三、技术路线 43。1 产品构成及描述 43.1。1 产品构成 43.1。2 产品构成描述 53.2 技术原理 53.2.1 光纤温度传感原理 6四、主要研究内容 84。 1 光源 94.2 激光驱动部分 94。 3 传感光纤 104.4 分光装置 104。4.1 光耦合器设计 . 114.4。 2 Raman滤光片设计 114。 5 光接
2、收部分 124。 6 A/D 转换器部分 124。 7 基于嵌入式系统的数字信号处理 134。 8 计算机部分 134。 9 恒温装置 错误! 未定义书签。五、项目研制进度 14个人收集整理 勿做商业用途由聊城供电公司与威海北洋电气集团股份有限公司合作开发的松江站高压 电缆温度在线监测预警系统在各有关业务部门及领导的大力支持下， 经过科研人 员的共同努力，已圆满完成任务 .2012年7月系统在聊城供电公司110kV松江站进行了安装使用，主要对变电 站的10kV、35kV主干电缆、电容器主干电缆、电缆夹层及接地变线路进行统一 的温度实时在线监测。系统采用分布式光纤测温技术，具有连续测温功能， 采
3、集 到的温度数据、曲线可以实时显示并自动存储 ,历史数据可以进行归类和分析， 并由此找出规律性问题， 给运行管理提供可靠依据。 探测光缆完全无缘的特点也 特别适用于高压、高电磁环境下的变电站内。一、立项的背景及其目的、意义近十年来，挤塑型电力电缆特别是 XLPE电力电缆由于其绝缘性能好、易于 制造、安装方便、供电安全可靠、有利于城市和厂矿布局等优点，在城市电网中 得到广泛使用。但是这种电缆的绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材 料不纯而存在气隙和有害性杂质， 或者由于工艺原因在绝缘与半导电屏蔽层之间 存在间隙或半导电体向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放 电，同时在电力电缆
4、的安装和运行过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部 放电。由于XLPE等挤塑型绝缘材料耐放电性较差,在局部放电的长期作用下，绝 缘材料不断老化最终导致绝缘击穿，造成重大事故。据有关资料统计， 电力系统 中的电力电缆绝缘缺陷主要来自其接头。 目前的电缆系统基本上没有配套的测温 设备。但随着近年来电缆发电负荷不断增加 , 建设工期过分紧张也造成了事故隐 患, 电缆发生击穿和火灾的情况不断发生。长春电力局由于没有及时安装监测和#个人收集整理 勿做商业用途火警预警系统 , 发生了严重火灾，造成的直接损失上亿元。这次事故给全国的电 力系统敲响了警钟。目前重庆、 北京等电力局纷纷更新电缆系统规范， 要求
5、分布 式监测设备作为电缆的配套产品参与投标。 无锡、上海等用电量大的电力局也积 极组织技术研讨和技术合作开发监控系统。 本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理， 勿做商业用途在电缆的安装和长期运行中可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放电，由于 XLPE 等挤塑型绝缘材料耐放电性较差，在局部放电的长期作用下，绝缘材料不 断老化最终导致绝缘击穿，造成重大事故。因此对有效地对电缆温度进行监测 , 对于保障电缆的安全使用具有重要意义。二、国内外研究现状目前国际上普遍采用的是分布式在线电缆监测系统， 主要通过全程测量电缆 温度发现异常点的方法及火警报警系统配合的方式来监控电缆系统的运行情况 . 国内
6、还处于起步阶段， 由于前期电力建设不足， 现有的系统电压负载并不是很高， 目前的电缆系统基本上没有配备这样的设备 . 但随着近年来电缆发电负荷不断增 加，建设工期过分紧张也造成了事故隐患， 电缆发生击穿和火灾的情况不断发生。 另外由于目前国际国内可以提供的温度监测设备，不但价格昂贵 ,且不能明确 , 快速的转化成有效信息和分析结果 , 难以满足电力企业安全性能高、使用方便的 需要, 迫切需要开发高效耐用、操作简便 , 安全系数高的电力监测管理系统。三、技术路线松江站高压电缆温度在线监测预警系统是由威海北洋电气集团股份有限公 司（以下简称威海北洋电气）研制开发，集先进的分布式光纤温度传感技术、计
7、 算机控制、测量数据处理和自动控制技术等于一体的高新技术产品。其技术路线概要如下：采用先进的计算机信号处理技术、电子技术、纳秒脉冲激光器调制技 术和光电转换技术完成主机设计，根据专利算法完成测量数据的处理，借助特殊制作的探测光缆完成高精度电缆温度在线监测系统 3.1产品构成及描述 3。 1.1产品构成本项目系统主要由主机及探测光缆组成。脉冲光源*双向耦合器探御光境滤波器APD计算机放大器数据采集处理#监控主机个人收集整理 勿做商业用途3。1。2 产品构成描述（1） 主机部分主机部分由光源、 光纤波分复用系统以及光电接收和放大模块、 信号采集和 处理模块等构成。光源模块采用脉冲激光器。光纤波分复
8、用系统：由1 x 3双向光纤耦合器（BDC和滤波器（多光束 干涉型高隔离度光学滤光片 ） 组成.光电接收、放大模块：由带尾纤和前置放大器的光电雪崩二极管（APD）以及高增益、宽带、低噪声的放大器组成。信号采集和处理模块可以分为硬件和软件两部分， 其中硬件由数据采集处理和计算机构成； 软件 由数据采集控制和数据采集程序、 保存和管理数据的数据库管理系统、 数据处理 和显示软件共三部分构成。（ 2）探测光缆探测光缆既感测温度信号又传输信号，光纤不带电 , 抗射频和电磁干扰，防 燃，防爆，抗腐蚀，耐高温和强电磁场，抗电磁辐射，能在有害环境中长期安全 运行。3.2 技术原理本项目系统是一种用于实时测量
9、电缆温度的电缆温度在线监测系统。主要 针对电力高压电缆进行安全监测 . 分布式光纤传感器是近年来开始研究的新型传 感技术，它既具有光纤的不带电、 抗射频、抗电磁场干扰、 防燃、防爆、抗腐蚀、#个人收集整理勿做商业用途耐高电压、耐电离辐射及具有大信号传输带宽等优点，又突破了点式传感的限制, 可以同时获得被测量对象测量参数的空间分布及其随时间变化的信息。3。 2。1光纤温度传感原理光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中， 光纤被用作远距离传输光波信号的媒质这时，要求光纤传输的光信号受外界干 扰越小越好。但在实际的光传输过程中，光纤受外界环境因素如温度、压力、电 磁场等的影
10、响会引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化 如果测量出这些光波参数的变化，就可以获得导致这些光波参数变化的外界影响 因素的物理量的大小，实现光纤传感测量。3。2。1.1光时域反射原理光纤温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射（OTDR原理以及光纤 的背向Rama散射温度效应.如图1.1所示。光源| 丄肛被测温庫场f I耦合器捕兀針1光时域反射传感原理当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播， 在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分反射光的方向正好与入 射光的方向相反（亦可称为“背向”）。这种背向反射光的强度与光纤中反射点 的温度有一定的相关关
11、系。反射点的温度 （该点光纤的环境温度） 越高，反射光的强度也越大。也就是说，背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。3。 2.1.2 Raman背向散射基于DTS勺电缆温度在线监测系统是利用光纤中的自发 Rama散射的反斯托克斯光与温度紧密相关的原理，通过检测激光脉冲在光纤中传播时产生的反斯托 克斯信号（Anti-Stokes光）和斯托克斯散射光信号（Stokes光）的比值来获得 光纤上的温度信息.由于Anti Stokes散射对温度特别敏感，而Stokes散射与温度无关。为了消除光源不稳定及光纤弯曲接头损耗对散射强度的影响，提高测温准确度，在系统设计中采用双通道双波长比较的方法 ,即将An
12、ti-Stokes作为信号通道，Stokes作为参考通道，对二者分别进行采集并检测二者的比值，则测量点的温度为1T0kNa(T)Ns(T。)厂ln Na(To)Ns(T)。同时由于激光功率沿光纤的损耗较小，所以测量距离较长，一般可达数公里，最长可以达到数十公里以上。同时，还要根 据接收的光功率确定当前测量温度值的位置，而此时的测量距离是时间的函数, 则接收的光功率也表示为时间的函数。若以激光脉冲注入光纤的瞬间为计时开 始，即z=0处t=0，则在t时刻系统测量终端接收到的反斯托克斯和斯托克斯信号1在光纤上所处的空间位置为z 2Vgt，测量时刻不同，测量终端接收的光功率也对应着传感光纤的不同空间位
13、置；传感光纤的空间位置从z=0增加至z=L （L为传感2L光纤长度），对应的测量时刻从t=0到区，在系统测量终端实现了传感光纤所处环境温度的分布式测量。从而可以确定整个温度场的分布。本文为互联网收集，请勿用作 商业用途个人收集整理，勿做商业用途后向Rama散射光信号非常微弱是分布式光纤测温技术的一个基本特点，也正是它决定了分布式光纤测温系统的难度。它一方面要求光发射机能够提供大功个人收集整理勿做商业用途率光脉冲，同时要求复杂的光接收和信号处理电路。这就要求在进行系统设计时， 要最大限度利用反斯托克斯光信号的强度， 协调系统各部分参数的分配，以满足 对系统测温精度、测温范围、空间分辨率、测量长度
14、和测温时间等方面的要求。四、主要研究内容松江站高压电缆温度在线监测预警系统如图1.2所示在该系统中，光纤即作为传输介质又作为传感器来使用系统由光学部分（包 括脉冲驱动电源、激光发射、光纤定向耦合器、传感光纤、光学分光器件、光电 检测部分）、信号采集和处理部分（包括信号放大、模数转换和数据采集及处理） 和计算机及显示等组成，其中每一部分都有其特殊的要求 只有各部分性能达到 设计测量要求，才能使系统正常运作。传感光纤布置在待测温度场中，由计算机 控制电路发出脉冲，启动脉冲驱动电流源及半导体激光器 （LD）工作。LD俞出通 过双向耦合器和波分复用器，把激光发射到光纤中。随测量现场情况不同，携带光纤实
15、时温度信息的Rama散射光会沿光纤反射回来，由光电二极管APD寸这些散 射光进行采集，实现光电转换。由于 Rama散射光比较弱，需要放大器对其信号 进行放大处理 . 然后模数转换器将测量结果转换为数字量后用计算机进行处理。 计算机部分由工控机加数据采集处理板组成。 数据采集处理板包括信号放大、 A/D 转换和DS等部分.工控机完成数据显示、输出报警和联网等功能。考虑到系统与 其它应用及监控中心的综合使用,提供了标准的以太网接口，通过TCP/IP协议可 以方便的与计算机局域网连接在一起。4。 1 光源光源部分的功能是产生大功率的光脉冲输入到光纤中。 由于反斯托克斯散射 光信号和斯托克斯散射光信号非常弱， 而且传感光纤具有传输损耗 (1.0dB/km1。5 dB/km), 所以发射的激光信号功率要大，脉冲式激光器工作频率不应太高，为 保证对传感光纤背向散射信号的两次采样不至于相混， 也要求两次采样脉冲信号 时间间隔大于2L/Vg。(其中L为传感光纤总长)。而后向Rama散射光的强度与激 光器的中心波长有关，所以要选择合适波长使 Rama
