基于光纤Bragg光栅的电力电缆温度在线监测技术的研究

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随着我国用电总量的不断提高,电力电缆在城市电网中发挥的作用显得越发重要。电缆由于长期处于高压、高辐射的环境下,会出现温度过高的情况,有时会造成绝缘损坏,严重时甚至引发火灾。因此,电缆温度是影响电缆稳定运行的关键因素之一,对其内部温度的监测具有重要意义。考虑到电缆的敷设环境恶劣,不宜使用电学传感器。因此,本文使用的是抗干扰性强、柔韧性好且对温度敏感的光纤光栅传感器。为了能对电缆温度及时测量,避免事故的产生,本文基于光纤Bragg光栅设计了电力电缆温度在线监测系统。通过实验验证,此种电力电缆测温方式既具有强抗电磁干扰能力,又具备很高的准确性,因此,本课题采取光纤光栅传感器对电缆温度进行测量。首先详细介绍和分析了电缆温度在线监测技术的国内外研究现状,以及光纤光栅的测温原理,并对电缆几种测温方式的优缺点进行了比较分析,确定了本文的测温方案。同时利用数值分析软件ANSYS Workbench 18.2对电力电缆的内部温度场进行了仿真分析,确定了电缆内部温度最热点,通过多次仿真数据得到了在不同环境温度下的三芯电缆缆芯温度与表皮温度的温升方程,并证明了公式的准确性。在实际运用中,将光纤光栅铺设在电缆外侧,测量电缆表皮温度,然后通过温升方程可计算得出电缆缆芯温度,从而达到监测电缆温升的目的,该方法铺设简单易操作。同时,分析了影响直埋敷设三芯电缆温度的相关因素(环境温度、埋深、热导率),并在固定埋深处,得出了三芯电缆温度与热导率和环境温度的关系式。根据理论分析,完成了电缆温度监测系统的硬件搭建,并对光学器件(光源、环形器、光纤光栅等)以及光纤布拉格解调模块(FBGA)的工作原理进行了说明。为了FBGA能与PC机间进行通信,在LABVIEW开发环境下通过调用DLL动态链接库,编写了上位机软件,可实现将温度值、中心波长值以及波形图准确显示在界面上的功能。最后将软、硬件系统进行连接,搭建整个测温平台,将光栅放置于升温装置中,在20℃-100℃之间完成标定实验,证明了温度与中心波长间存在正比例关系,同时通过误差分析,证明了此系统的可行性。
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