基于光電纜的分布式溫度傳感網絡的實驗研究

摘要：本文提出增加一根光纖光柵與光電纜繞制在一起，用于監測電纜中的實時溫度。采用有限元分析方法，建立了光電纜溫度場模型。使用可調諧脈沖激光為光源，在一根光纖上刻制多個相同中心波長的布拉格光柵，即采用全同光柵作為系統的溫度傳感器，當光電纜線路中溫度發生異常時，反射回來的光柵中心波長發生偏移，通過檢測反射光中心波長發生的偏移量可以確定光柵溫度變化的大小。不同位置的光柵返回光信號所需的時間不同，通過檢測和計算光返回的不同時間，可以計算出發生溫度變化的光柵位置。實驗結果表明，光柵的溫度敏感性可以達到11.4 pm/℃，光柵的測量溫度與實際溫度的誤差在3%范圍內。

0 引 言

光電纜(Optical Power Cable, OPC)是同時、同路、同走向傳輸電能和光信息的一體化傳輸介質，是智能電網建設的基礎。由于光電纜常年置于地下，其潛在的老化和缺陷不易被發現，隨著運行時間的增加，有可能因為電纜過熱或者短路而導致火災。并且在高壓傳輸環境中存在高電壓、大電流、強磁場等因素，這對傳統電類溫度傳感器有著嚴重的干擾。

光纖光柵(Fiber Bragg Grating , FBG)傳感器除了具有一般光纖傳感器耐高溫、耐腐蝕等優點之外，還具有波長編碼，抗干擾能力強等特性， 可以實現對目標溫度的快速準確測量。傳統的分布式光纖光柵的測溫方法大多是利用寬帶光源，通過光柵中心波長的變化來檢測出返回的傳感信息，因此光柵的數量會受到寬帶光源本身帶寬的限制;并且由于功率會因瑞利散射等因素而衰減，信噪比低，所以寬帶光源的傳輸距離也會受到限制。

本文提出了一種低成本、實用性強的方案，系統中采用可調諧脈沖光源，它具有功率大、能量集中等優點，不僅可以使傳輸距離大大增加，而且還突破了寬帶光源的帶寬限制，實現了光纖光柵傳感器的大范圍組網。與其它的光纖光柵測溫系統相比，本系統不僅能實時監測光纖光柵所在位置的溫度變化，而且還能準確定位每個光纖光柵所在的位置。在光電纜生產加工的時候直接把光纖光柵加入到光纜中，可以方便的對光電纜的運行狀況做實時監測，光纖光柵與光電纜同步傳輸的方案在未來光電網的發展中有著廣闊的發展前景。

1 光電纜的溫度場分析

利用有限元軟件Ansys 對光電纜的溫度場進行分析。有限元的基本思想是將連續結構離散成有限個單元，并且在每個單元中設定有限個節點，將連續體看作是只在節點處相連接的*體;同時選定場函數的節點值作為基本未知量，并在每一個單元中假設一個近似差值函數，以表示單元場中函數的分布規律;并利用某些變分原理去建立用以求解節點未知量的有限元方程，將一個連續域中無限自由度的問題轉化為離散域中自由度的問題。可以利用解得的節點值和設定的插值函數來確定單元上以至*體上的場函數，從而對復雜區域和復雜邊界問題的求解帶來極大的適應性和靈活性，具有較高的計算精度。因此本文采用有限元法分析光電纜溫度場分布。

1.1 光電纜結構

光電纜是將通信光纜與高壓電纜放置在一起，同時傳輸電能和信息的一體化傳輸介質。本文提出的光電纜模型是由中心為一根光纖光柵，四周由三根電纜和一根光纜構成。其中三根電纜的每個電纜芯截面為半徑2 cm、圓心角為90 °的扇形，光纜芯截面為直徑為2 cm 的圓形，結構如圖1 所示。

圖1 光電纜結構圖

1.2 溫度場中導熱微分方程

笛卡爾坐標系中溫度場中用來描述三維導熱微分方程的一般形式為：

式中：ρ 、c、λ 和Φ 分別為微元體的密度、比熱容、導熱系數及單位時間單位體積中內熱源的生成熱，t為時間。

1.3 左、右和下邊界條件

設電纜位于無限大的土壤中，用柱坐標對場域進行表達，則：

式中：T1、T2 分別是電纜表皮溫度和土壤溫度，r1、r2 分別為電纜直徑和土壤外徑，λ為導熱系數，q 為體積發熱量。

1.4 上邊界條件

表層土壤和空氣的換熱屬于自然對流換熱，換熱系數：

式中：d 為土壤溫度，Nu = C(Gr Pr)n，Gr為格拉曉夫數，Pr為普朗特數，查表可得參數C和n 的值。根據對流換熱牛頓公式得出土壤表層溫度梯度：

式中：T1、T2 分別為土壤表層和空氣的溫度，α為對流換熱系數，λ為土壤導熱系數。求出土壤表層溫度梯度后可求出土壤表層溫度，因為電纜剖面是對稱的，所以可結合熱傳導方程和邊界條件對電纜截面進行溫度場仿真。