用于高压电力设备的分布式光纤光栅温度检测系统 【技术领域】
本发明属于测量领域，尤其涉及一种利用检测光束或光脉冲的波长之变化来测量高压电力设备接头处运行温度或温升变化的温度检测系统。
背景技术
在电力系统变、配电站及供电装置的高压主回路中，各变压器、电流互感器、电压互感器、隔离开关、断路器或其他高压开关与电力线或高压电缆连接的接头处，由于电力线或电缆的摆动或电力设备的长期工频振动，往往会导致连接螺栓的松动，造成连接部位接触电阻增高，受到接触处金属表面氧化程度、通过电流的强度以及接触面压力大小等因素的影响，接头处的温度会发生很大变化，故接头处的实际温度变化是变配电设备的重要运行参数，为了保证电力系统的安全运行，必须对上述接头处的运行温度进行定期检测，最好是实时连续监测。
由于上述接头均工作在高电压的状态下，其实际运行温度的测量通常采用间接式测量，如早期的温变试片、固体腊滴或红外线温度检测等方法。近年来，各种新的检测方法或装置不断出现，如中国专利CN2599554Y“电力设备接合部温度在线监测仪”中采用的无线发射、接收装置，或中国专利CN2599547Y“电力高压接点光纤在线监测装置”中公开地用光电隔离来实现信号转换和传送等方式，其目的均是采用一种非直接电连接的方法，将所测得的温度信号传送出来，以解决信号传递过程中的高压绝缘问题。
由于上述方法可以连续地在线进行温度检测，故可以及时掌握接头处的温升变化趋势，准确判断设备的实际运行状况，预先发现隐患，提前处理，避免造成大的损失，对保证电力系统的安全运行具有重要意义。
但是上述的方法或装置均存在有在信号的传输过程中信号易受干扰、只能检测一个点的温度变化、不防爆等不足，实际实施时用户的一次购置成本或使用成本较高。
公开日2002年8月14日，公开号CN1363828A的中国发明专利申请中公开了一种“全同光纤光栅温度监测报警系统”，其由宽带光源、Y形光分路器、全同光纤光栅、可调滤波器、光探测器、以及相应的光纤、导线、电子线路和声光报警器件组成，宽带光源1通过光纤7与Y形光分路器2的一个分路端口连接，Y形光分路器2的合路端口通过光纤7与多个全同光纤光栅3串接；Y形光分路器2的另一个分路端口通过光纤7与可调滤波器4的输入端口连接；可调滤波器4的滤波输出端口通过光纤7与光探测器5连接，光探测器5的电信号输出通过导线8经特殊的电路连接到声光报警器件6；在其申请文件中，所述的全同光纤光栅是指“制作在同一种材料、规格的光纤中、光栅常数完全相同的多个光纤光栅”。由于光纤光栅受温度变化引起光栅物理尺寸发生变化，而导致其反射光谱的波长发生变化，进而反映出被检测点温度的变化情况。其既实现了多个检测点的在线连续温度检测，又解决了信号传递过程中的高压绝缘问题，还避免了无线发射、接收过程中的抗干扰问题。
但由于该技术方案采用多个光栅常数完全相同的全同光纤光栅作为传感器，存在着在串接在一根光纤上的多个光纤光栅(对应着多个被检测点)中，无法分辨具体是哪个被检测点发生运行超温的不足。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种电绝缘性能和可靠性好，抗干扰、耐腐蚀、防爆能力强，可直接接触到欲测带电物体的表面并直接检测出其温度值，既能同时检测多个电力设备电缆接头处的运行温度，还能分辨具体是哪个被检测点发生异常温升的用于高压电力设备的分布式光纤光栅温度检测系统。
本发明的技术方案是：提供一种分布式光纤光栅温度检测系统，包括宽带激光光源、可调谐光纤滤波器、光纤耦合器、外线光纤、光纤光栅传感器、光探测器模块，其特征是：还设置有光谱分析单元和控制及数据处理单元；其中，所述宽带激光光源与至少一个光纤耦合器的一个分路端口光连接；光纤耦合器的另一个分路端口经过可调谐光纤滤波器与光探测器模块的输入端口光连接；光纤耦合器的合路端口经外线光纤与至少两个具有不同中心波长的光纤光栅传感器串接；所述的宽带激光光源、可调谐光纤滤波器、光探测器模块经总线与光谱分析单元和控制及数据处理单元电连接。
其中，所述的光纤光栅传感器为具有不同光栅栅距的光纤光栅传感器。
其所述的控制及数据处理单元还与显示单元和/或通讯单元电连接。
其所述的宽带激光光源为光源波长覆盖整个C波段的宽带激光光源；所述的宽带激光光源具有40nm的3dB波长范围。
其所述的显示单元为液晶显示电路；所述的光探测器模块为PIN型或APD型光电二极管电路；所述的控制及数据处理单元至少包括有过零探测、放大、模/数转换、采样和微处理器电路。
本发明还提供了一种上述温度检测系统对高压电力设备进行温度检测或监控的方法，其特征在于：
(1)在各高压电力设备的接头处分别设置具有不同中心波长或具有不同光栅栅距的光纤光栅传感器；
(2)通过光纤将上述光纤光栅传感器串联；
(3)将各光纤光栅传感器的安装地点或位置进行编号；
(4)将各光纤光栅传感器反射光的中心波长值与其安装地点或位置编号进行对应，形成地址编码表；
(5)在光谱分析单元中根据地址编码表设置逻辑判断条件，用以使光谱分析单元具有根据某个光纤光栅传感器反射光的中心波长来区分其所对应高压电力设备接头的具体位置或位置编号之功能；
(6)用光纤光栅温度检测系统对各高压电力设备的接头处进行温度检测；
(7)根据各光纤光栅传感器反射光的中心波长及其与地址编码表的逻辑对应关系，判断各高压电力设备接头处的实际运行温度或温升；
(8)将上述各高压电力设备接头处的实际运行温度或温升数据分别存入数据处理单元的存储器中，再送入显示装置进行显示或将数据传输至上位计算机，供数据处理、运行报警、控制之用。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.单路光纤上串联多个具有不同中心波长的光栅传感器，因而测量点数多，测量范围大，可识别不同测量点的温度；
2.由于光栅传感器通过反射光谱的中心波长的偏移反映温度的变化，因而整个检测系统不受光源功率和光纤弯曲等因素的影响，可靠性好、抗干扰能力强。
3.采用光纤光栅传感器来检测高压电力设备之接头的温度，用光纤来传送检测信号，可直接接触到欲测带电物体的表面并连续地/在线式地检测出其温度值，具有高绝缘性能、抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆等优点，特别适合于易燃、易爆和强电磁场等恶劣环境下使用。
【附图说明】
图1是本发明的光路、电路结构方框图；
图2是本发明控制及数据处理单元的电气方框图；
图3为实施例的光路、电路结构方框图；
图中，1为宽带激光光源，2为可调谐光纤滤波器，3、3-1、3-2、3-3为光纤耦合器，4为光探测器模块，5为外线光纤，6为光纤光栅传感器，7为光谱分析单元，8为控制及数据处理单元，9为显示单元和/或通讯单元，10为总线
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1中，宽带激光光源1与光纤耦合器3的一个分路端口a光连接；光纤耦合器的另一个分路端口b经过可调谐光纤滤波器2与光探测器模块4的输入端口光连接，光纤耦合器的合路端口c经外线光纤5与至少两个具有不同中心波长的光纤光栅传感器6串接；宽带激光光源、可调谐光纤滤波器、光探测器模块经总线10与光谱分析单元7和控制及数据处理单元8电连接，控制及数据处理单元还与显示单元和/或通讯单元9电连接。
图2中，控制及数据处理单元至少包括过零探测、放大、模/数转换、采样和微处理器电路，其光探测器模块光电二极管将接收到的光信号转换成模拟量电信号，放大电路将该信号放大，通过模/数转换电路将其转换成数字信号，再经采样电路整型、除去杂波和干扰信号，最后送入光谱分析单元进行信号分析。
上述信号处理过程均在微处理器(CPU/MPU)的控制下进行。
实施例
在图1所示的系统结构及图2所示控制及数据处理单元的基础上，采用图3所示的光路、电路结构，其中，光纤耦合器3至少包括三个光纤耦合器3-1、3-2和3-3。
第一光纤耦合器3-1的一个分路端口a与宽带激光光源1光连接，其另一个分路端口b与第三光纤耦合器3-3的一个分路端口a″光连接，第一光纤耦合器的合路端口c与第二光纤耦合器3-2的一个分路端口a′光连接。
第二光纤耦合器的另一个分路端口b′经过可调谐光纤滤波器2与光探测器模块4的输入端口光连接，其合路端口c′经外线光纤5与至少两个具有不同中心波长的光纤光栅传感器6串接。
同样，第三光纤耦合器3-3的另一个分路端口b″经过可调谐光纤滤波器2与光探测器模块4的输入端口光连接，其合路端口c″经外线光纤与至少两个具有不同中心波长的光纤光栅传感器串接。
其余同图1或图2。
根据用户的需要，还可以按上述方法设置更多通道的光纤耦合器，以带动更多路数(或称为通道)的外线光纤和光纤光栅传感器。
其中，所述的光纤光栅传感器为具有不同光栅栅距的布拉格(Fiber Bragg Grating，FBG)光纤光栅传感器；所选用的可调谐光纤滤波器为可调谐光纤Fabry-Perrot滤波器FFP。
宽带激光光源波长覆盖整个C波段(1525～1565nm)，具有40nm的3dB波长范围，宽的光谱范围可以在单根光纤上串接至少两个或更多的FBG光扦光栅传感器(视被测点温度范围而异)。
可调谐光纤滤波器是利用声光或电光效应来改变介质的折射率，从而实现对光波长选择的光滤波器。
光纤光栅传感器反射光的中心波长(也叫峰值波长)随着温度的改变而改变，当温度升高/或降低时，光纤光栅传感器的峰值波长变长或变短。每1℃温度变化对应的峰值波长移动约为10pm。
光纤光栅的反射率越高，返回到测量系统的光功率就越大，相应的测量距离就越长。而且反射率越高，带宽较窄，光栅越稳定。如果反射率越小，噪声对其的影响就越大，对于光探测器模块和光谱分析单元的工作精度要求就越高。为了获得最好的性能，光纤光栅传感器的反射率应＞90％。
显示单元为液晶显示电路；所述的光探测器模块为PIN型或APD型光电二极管电路。
随着密集波分复用技术、掺铒光纤放大器技术和光时分复用技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为传感领域中的应用提供了技术平台，光纤光栅就是其中之一。
光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论，λB＝2nΛ的波长就被光纤光栅所反射回去(其中λB为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率)。
反射的中心波长信号λB，跟光栅周期Λ及纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：
ΔλBλB=(αf+ξ)ΔT+(1-Pe)Δϵ]]>
其中，αf=1ΛdΛdT]]>为光纤的热膨胀系数，ξ=1ndndT]]>为光纤材料的热光系数，Pe=-1ndndϵ]]>为光纤材料的弹光系数。
当用FBG光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，使用宽谱光源将有一定带宽的光通过光纤耦合器(又称Y型分光器或环行器)入射到光纤光栅中，由于光纤光栅所具有的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，即可通过检测波长的变化，来推导出外界被测温度、压力或应力的变化。
由于各FBG光纤光栅传感器之光栅栅距的距离不同，则其反射光的中心波长不同。通过将各光纤光栅传感器之反射光的中心波长与其地址进行对应编码，则可容易地判定温度发生变化的光纤光栅传感器，进而得知发生运行异常的高压设备。
由于多个传感器所返回的反射光信号之中心波长范围不同，所以可以将这些传感器串接组网，形成光纤光栅列阵，进而实现多点同时测量。
每根光纤上可串联的FBG光纤光栅传感器之数量，由被测点需测量的温度范围而定，或者说，传感器测量温度范围之大小决定了每个传感器反射光的波长之宽度。
为了保证能“寻址”每一个光栅，即根据独立变化的中心波长确认每一个光栅。为此，要求每个通道内各个光栅的中心波长λ1，λ2，…λn及其工作范围Δλ1，Δλ2，…Δλn，互不重迭。探测范围是由测量范围决定的，测量范围越大，探测范围就越大。
由于每1℃的温度变化，FBG光纤光栅传感器反射光的中心波长会发生10pm的偏移，如果一个峰值波长1535.050nm的传感器从25℃加热到35℃，传感器的峰值波长将增加到1535.150nm；假设测温范围为300℃，则对应FBG光纤光栅传感器的工作波长的宽度约为3nm左右；考虑到每两个FBG光纤光栅传感器反射光的波长宽度之间尚需留有约0.25nm左右的缓冲区间隔，以防止其相互之间的干扰，则若采用带宽为1525～1565nm的宽带激光光源，在每根光纤上以设置12～15个FBG光纤光栅传感器为宜。
此外，如果将FBG光纤光栅传感器封装在温度增敏材料中，可以提高它的温度系数灵敏度，进而得到更大的测量精度。公告号为CN2621288Y的中国专利“分布式光纤光栅增敏封装温度传感器”和公告号为CN2627479Y的中国专利“分布式光纤光栅增敏封装温度传感器”中对此均有披露，在此不再叙述。
本发明工作过程简述：
微处理器控制宽带激光光源发出宽带激光，这束激光由光纤耦合器传送给外线光纤，由外线光纤传送给各个串接的光纤光栅传感器。各个光纤光栅传感器可以反射其中心波长的激光，反射激光经外线光纤、光纤耦合器传送至可调谐光纤滤波器，由其在微处理器的控制下，选择一定波长(与光纤光栅传感器中心波长相同)的激光送入光探测器模块，光探测器模块将光信号转换成电信号，再经过对电信号进行过零探测、放大、模数转换、采样，微处理器控制光谱分析单元对采样数据进行处理，解析出各监测点的温度值，通过分析各个光纤光栅反射光之中心波长的变化的幅度来得到被测点的温升变化。并根据其中心波长可以知道被测点的地址，并将被测点的地址和被测点的温度或温升变化情况显示出来。
由于本发明采用波分复用技术，在各测温点分别设置具有不同光栅参数的FBG光纤光栅传感器，达到了同时检测多个电力设备电缆接头处的运行温度，还能分辨具体是哪个被检测点发生异常温升的发明目的。由于采用光纤光栅传感器进行高压电力设备接头的温度检测，可直接接触到欲测带电物体的表面并直接检测出其温度值，既满足了高压电力设备接头温度检测系统连续在线式直接测温、可靠性高、抗干扰、耐腐蚀、防爆能力强等要求，又保证了高压系统与温度检测/显示系统的电绝缘性能。
本发明可广泛用于各种高压电力设备的运行状况检测之领域。