基于光电缆的分布式温度传感网络的实验研究

摘要：本文提出增加一根光纤光栅与光电缆绕制在一起，用于监测电缆中的实时温度。采用有限元分析方法，建立了光电缆温度场模型。使用可调谐脉冲激光为光源，在一根光纤上刻制多个相同中心波长的布拉格光栅，即采用全同光栅作为系统的温度传感器，当光电缆线路中温度发生异常时，反射回来的光栅中心波长发生偏移，通过检测反射光中心波长发生的偏移量可以确定光栅温度变化的大小。不同位置的光栅返回光信号所需的时间不同，通过检测和计算光返回的不同时间，可以计算出发生温度变化的光栅位置。实验结果表明，光栅的温度敏感性可以达到11.4 pm/℃，光栅的测量温度与实际温度的误差在3%范围内。

0 引 言

光电缆(Optical Power Cable, OPC)是同时、同路、同走向传输电能和光信息的一体化传输介质，是智能电网建设的基础。由于光电缆常年置于地下，其潜在的老化和缺陷不易被发现，随着运行时间的增加，有可能因为电缆过热或者短路而导致火灾。并且在高压传输环境中存在高电压、大电流、强磁场等因素，这对传统电类温度传感器有着严重的干扰。

光纤光栅(Fiber Bragg Grating , FBG)传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性， 可以实现对目标温度的快速准确测量。传统的分布式光纤光栅的测温方法大多是利用宽带光源，通过光栅中心波长的变化来检测出返回的传感信息，因此光栅的数量会受到宽带光源本身带宽的限制;并且由于功率会因瑞利散射等因素而衰减，信噪比低，所以宽带光源的传输距离也会受到限制。

本文提出了一种低成本、实用性强的方案，系统中采用可调谐脉冲光源，它具有功率大、能量集中等优点，不仅可以使传输距离大大增加，而且还突破了宽带光源的带宽限制，实现了光纤光栅传感器的大范围组网。与其它的光纤光栅测温系统相比，本系统不仅能实时监测光纤光栅所在位置的温度变化，而且还能准确定位每个光纤光栅所在的位置。在光电缆生产加工的时候直接把光纤光栅加入到光缆中，可以方便的对光电缆的运行状况做实时监测，光纤光栅与光电缆同步传输的方案在未来光电网的发展中有着广阔的发展前景。

1 光电缆的温度场分析

利用有限元软件Ansys 对光电缆的温度场进行分析。有限元的基本思想是将连续结构离散成有限个单元，并且在每个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的*体;同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一个近似差值函数，以表示单元场中函数的分布规律;并利用某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，将一个连续域中无限自由度的问题转化为离散域中自由度的问题。可以利用解得的节点值和设定的插值函数来确定单元上以至*体上的场函数，从而对复杂区域和复杂边界问题的求解带来极大的适应性和灵活性，具有较高的计算精度。因此本文采用有限元法分析光电缆温度场分布。

1.1 光电缆结构

光电缆是将通信光缆与高压电缆放置在一起，同时传输电能和信息的一体化传输介质。本文提出的光电缆模型是由中心为一根光纤光栅，四周由三根电缆和一根光缆构成。其中三根电缆的每个电缆芯截面为半径2 cm、圆心角为90 °的扇形，光缆芯截面为直径为2 cm 的圆形，结构如图1 所示。

图1 光电缆结构图

1.2 温度场中导热微分方程

笛卡尔坐标系中温度场中用来描述三维导热微分方程的一般形式为：

式中：ρ 、c、λ 和Φ 分别为微元体的密度、比热容、导热系数及单位时间单位体积中内热源的生成热，t为时间。

1.3 左、右和下边界条件

设电缆位于无限大的土壤中，用柱坐标对场域进行表达，则：

式中：T1、T2 分别是电缆表皮温度和土壤温度，r1、r2 分别为电缆直径和土壤外径，λ为导热系数，q 为体积发热量。

1.4 上边界条件

表层土壤和空气的换热属于自然对流换热，换热系数：

式中：d 为土壤温度，Nu = C(Gr Pr)n，Gr为格拉晓夫数，Pr为普朗特数，查表可得参数C和n 的值。根据对流换热牛顿公式得出土壤表层温度梯度：

式中：T1、T2 分别为土壤表层和空气的温度，α为对流换热系数，λ为土壤导热系数。求出土壤表层温度梯度后可求出土壤表层温度，因为电缆剖面是对称的，所以可结合热传导方程和边界条件对电缆截面进行温度场仿真。