長距離電纜現(xiàn)場機械特性測試系統(tǒng)與方法
【專利摘要】一種長距離電纜現(xiàn)場機械特性測試系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)包括拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)，通過環(huán)形器與拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)相連的單模光纖，單模光纖包括位于電纜的線芯中的第一單模光纖和位于電纜的屏蔽層中的第二單模光纖，還包括與電纜的線芯和屏蔽層連接的變壓器；其方法為：利用調(diào)制后的窄線寬激光器輸出激發(fā)第一單模光纖和第二單模光纖內(nèi)的受激布里淵散射和拉曼散射，散射信號等分進入第一掃描標(biāo)準(zhǔn)具和第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具濾光，后經(jīng)第一光電轉(zhuǎn)換器和第二光電轉(zhuǎn)換器得到布里淵散射頻移和拉曼散射強度，求出電纜線芯層和屏蔽層的溫度與應(yīng)變。利用測試結(jié)果結(jié)合Lamé模型可得到現(xiàn)場長電纜的楊氏模量和泊松比，有助于長距離電纜的在線監(jiān)測診斷。
【專利說明】長距離電纜現(xiàn)場機械特性測試系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電纜現(xiàn)場測試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種長距離電纜現(xiàn)場機械特性測試系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力電纜在電力系統(tǒng)中承擔(dān)傳輸能量的作用，近年來全球電力系統(tǒng)電壓等級不斷提高，電纜距離也在不斷增長。長久以來診斷電纜的現(xiàn)場測試方法主要為電性能測試，而針對機械特性測試方法較少。實際數(shù)據(jù)表明，很多電纜故障首先是由機械問題引發(fā)的，因此針對電纜的現(xiàn)場機械性能測試方法有重要的意義。近年來隨著光纖光學(xué)的發(fā)展，已有分布式測溫(DTS)和分布式測溫應(yīng)變(DTSS)應(yīng)用到長距離電纜中，然而測試系統(tǒng)僅能測量電纜的溫度和應(yīng)變，對于電纜絕緣材料本身機械特性沒有相應(yīng)測試手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種長距離電纜現(xiàn)場機械特性測試系統(tǒng)與方法，通過測量電纜的溫度、應(yīng)變，得到電纜的機械特性如楊氏模量、泊松比；通過與實驗室內(nèi)對電纜材料小試樣測試結(jié)果的對比，能夠有效的從機械角度評價電纜運行過程中由于各種如熱老化、電老化、機械損耗等因素帶來的材料性能本身的變化。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種長距離電纜現(xiàn)場機械特性測試系統(tǒng)，包括拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)1，通過環(huán)形器106與拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)I相連的單模光纖2，所述單模光纖2包括位于電纜3的線芯層301中的第一單模光纖201和位于電纜3的屏蔽層303中的第二單模光纖202，還包括與電纜3的線芯層301和屏蔽層303通過銅鼻接頭連接的變壓器4 ；
[0006]所述拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)I包含窄線寬激光器101，所述窄線寬激光器101與第一 I X 2耦合器102的單端接口相連，所述第一 I X 2耦合器102的雙端接口的其中一接口與第一移頻器115的一端相連，另一接口與第二 1X2耦合器103的單端接口相連，第二 1X2耦合器103的雙端接口的其中一接口與脈沖調(diào)制器104的一端相連，另一接口在測試時分別與第一單模光纖201和第二單模光纖202的一端相連,脈沖調(diào)制器104的另一端與第二移頻器105的一端相連，第二移頻器105的另一端與環(huán)形器106的一個端口相連，從環(huán)形器106的該端口數(shù)第一個順時針端口在測試時分別與第一單模光纖201和第二單模光纖202的另一端相連，第二個順時針端口與摻鉺光纖放大器107的一端相連，摻鉺光纖放大器107的另一端與第三1X2耦合器108單端接口相連，第三1X2耦合器108的雙端接口分別與第一掃描標(biāo)準(zhǔn)具109和第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具110的一端相連,第一掃描標(biāo)準(zhǔn)具109的另一端與第四I X 2耦合器111雙端接口的一個端口相連，其雙端接口另一個端口與第一移頻器115的另一端相連,第四1X2稱合器111的單端口與第一光電轉(zhuǎn)換器112的光電轉(zhuǎn)換端相連，第一光電轉(zhuǎn)換器112的電信號輸出端與信號調(diào)理單兀114的一個通道相連,第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具110的另一端與第二光電轉(zhuǎn)換器113的光電轉(zhuǎn)換端相連，第二光電轉(zhuǎn)換器113的電信號輸出端與信號調(diào)理單元114的另一個通道相連。
[0007]上述所述測試系統(tǒng)的測試方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:連接環(huán)形器106與第一單模光纖201，開啟窄線寬激光器101，調(diào)整脈沖調(diào)制器104，使窄線寬激光器101的輸出光具有測試所需的時域?qū)挾龋{(diào)整第二移頻器105鎖定脈沖調(diào)制器104調(diào)制后的脈沖光信號到一頻率，該頻率與窄線寬激光器101的頻率差為纖芯層光纖201內(nèi)出現(xiàn)的受激布里淵散射頻率，此時第一單模光纖201內(nèi)出現(xiàn)受激布里淵散射和拉曼散射，受激布里淵散射和拉曼散射的背向散射信號通過環(huán)形器106經(jīng)過摻鉺光纖放大器107放大，之后通過第三1X2耦合器108等分入第一掃瞄標(biāo)準(zhǔn)具109和第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具110 ;調(diào)整第一移頻器115，與第一掃描標(biāo)準(zhǔn)具109篩選的布里淵散射信號利用第一光電轉(zhuǎn)換器112進行相干檢測，由于窄線寬激光器101的頻率和強度已知，能夠得到電纜在參考態(tài)下布里淵頻移及強度；調(diào)整第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具110使第二光電轉(zhuǎn)換器113所測得的光強最大，能夠得到參考態(tài)拉曼散射強度及頻率；
[0009]此時有如下關(guān)系:
[0010]— O Qb
[0011]Ir = Ir0
[0012]其中:cob為測量得布里淵頻移，ωΜ為參考態(tài)布里淵頻移，L為測量得拉曼散射強度，Ir0為參考態(tài)拉曼散射強度；
[0013]步驟2:人工改變電纜3的始端溫度，重復(fù)步驟1，測得相應(yīng)的布里淵頻移及拉曼散射強度，減去步驟I所得參考值即得由溫度變化引起的布里淵頻移和拉曼散射強度變化，利用信號調(diào)理單元114求出相應(yīng)的布里淵溫度系數(shù)及拉曼溫度系數(shù)；
[0014]此時有如下關(guān)系，
[0015]COb-COob = CbtAT
[0016]Ir-1r0 = Crt Δ T
[0017]其中Cbt為布里淵溫度系數(shù)，Crt為拉曼溫度系數(shù)，Λ T為溫度變化；
[0018]再在該溫度下人工改變電纜3始端應(yīng)變，重復(fù)步驟1，得到布里淵頻移，減去參考值及溫度引起的布里淵頻移即得由應(yīng)變引起的布里淵頻移；通過信號調(diào)理單元114求出相應(yīng)的布里淵應(yīng)變系數(shù)；
[0019]此時有如下關(guān)系，
[0020]ω b_ ω Ob-Cbt Δ T — Cbll Δ μ
[0021]其中:CblJ為布里淵應(yīng)變系數(shù)，Λ μ為應(yīng)變；
[0022]步驟3:斷開環(huán)形器106與第一單模光纖201，連接環(huán)形器106到第二單模光纖202，重復(fù)步驟1、2得到第二單模光纖202的布里淵溫度系數(shù)、布里淵應(yīng)變系數(shù)和拉曼溫度系數(shù)；
[0023]步驟4:通過變壓器4向電纜3施加電壓，拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)I的環(huán)形器106分別與第一單模光纖201和第二單模光纖202相連分兩次測量出此時線芯301與屏蔽層303各自的溫度與應(yīng)變；改變電壓，測量出不同電壓下溫度與應(yīng)變；
[0024]步驟5:根據(jù)Lam6模型，通過電纜3的線芯301與屏蔽層303兩位置處測量得到的溫度及應(yīng)變建立兩個方程，求出兩個未知參量楊氏模量Y和泊松比V，即在測試溫度下的楊氏模量和泊松比；[0025]此時有如下關(guān)系，
【權(quán)利要求】
1.一種長距離電纜現(xiàn)場機械特性測試系統(tǒng)，其特征在于:包括拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)(I)，通過環(huán)形器(106)與拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)(I)相連的單模光纖(2)，所述單模光纖(2)包括位于電纜(3)的線芯(301)中的第一單模光纖(201)和位于電纜(3)的屏蔽層(303)中的第二單模光纖(202)，還包括與電纜(3)的線芯(301)和屏蔽層(303)通過銅鼻接頭連接的變壓器(4)； 所述拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)(I)包括包含窄線寬激光器(101)，所述窄線寬激光器(101)與第一 1X2耦合器(102)的單端接口相連，所述第一 1X2耦合器(102)的雙端接口的其中一接口與第一移頻器(115)的一端相連，另一接口與第二 1X2耦合器(103)的單端接口相連，第二 1X2耦合器(103)的雙端接口的其中一接口與脈沖調(diào)制器(104)的一端相連，另一接口在測試時分別與第一單模光纖(201)和第二單模光纖(202)的一端相連，脈沖調(diào)制器(104)的另一端與第二移頻器(105)的一端相連，第二移頻器(105)的另一端與環(huán)形器(106)的一個端口相連，從環(huán)形器(106)的該端口數(shù)第一個順時針端口與在測試時分別與第一單模光纖(201)和第二單模光纖(202)的另一端相連，第二個順時針端口與摻鉺光纖放大器(107)的一端相連,摻鉺光纖放大器(107)的另一端與第三1X2 f禹合器(108)單端接口相連，第三1X2耦合器(108)的雙端接口分別與第一掃描標(biāo)準(zhǔn)具(109)和第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具(110)的一端相連，第一掃描標(biāo)準(zhǔn)具(109)的另一端與第四1X2 f禹合器(111)雙端接口的一個端口相連，另一個端口與第一移頻器(115)的另一端相連，第四1X2率禹合器(111)的單端口與第一光電轉(zhuǎn)換器(112)的光電轉(zhuǎn)換端相連，第一光電轉(zhuǎn)換器(112)的電信號輸出端與信號調(diào)理單元(114)的一個通道相連，第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具(110)的另一端與第二光電轉(zhuǎn)換器(113)的光電轉(zhuǎn)換端相連，第二光電轉(zhuǎn)換器(113)的電信號輸出端與信號調(diào)理單元(114)的另一個通道相連。
2.權(quán)利要求1所述測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:連接環(huán)形器(106)與第一單模光纖(201)，開啟窄線寬激光器(101)，調(diào)整脈沖調(diào)制器(104)，使窄線寬激光器(101)的輸出光具有測試所需的時域?qū)挾龋{(diào)整第二移頻器(105)鎖定脈沖調(diào)制器(104)調(diào)制后的脈沖光信號到一頻率，該頻率與窄線寬激光器(101)的頻率差為纖芯層光纖(201)內(nèi)出現(xiàn)的受激布里淵散射頻率，此時第一單模光纖(201)內(nèi)出現(xiàn)受激布里淵散射和拉曼散射，受激布里淵散射和拉曼散射的背向散射信號通過環(huán)形器(106)經(jīng)過摻鉺光纖放大器(107)放大，之后通過第三1X2耦合器(108)等分入第一掃貓標(biāo)準(zhǔn)具(109)和第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具(110);調(diào)整第一移頻器(115),與第一掃描標(biāo)準(zhǔn)具(109)篩選的布里淵散射信號利用第一光電轉(zhuǎn)換器(112)進行相干檢測，由于窄線寬激光器(101)的頻率和強度已知，能夠得到電纜在參考態(tài)下布里淵頻移及強度；調(diào)整第二掃描標(biāo)準(zhǔn)具(110)使第二光電轉(zhuǎn)換器(113)所測得的光強最大，能夠得到參考態(tài)拉曼散射強度及頻率； 此時有如下關(guān)系:
Wb = wOb
T = T ±rr0 其中:為測量得布里淵頻移，ωΜ為參考態(tài)布里淵頻移，Ir為測量得拉曼散射強度，IrO為參考態(tài)拉曼散射強度； 步驟2:人工改變電纜(3)的始端溫度，重復(fù)步驟1，測得相應(yīng)的布里淵頻移及拉曼散射強度，減去步驟I所得參考值即得由溫度變換引起的布里淵頻移和拉曼強度變化，利用信號調(diào)理單元(114)求出相應(yīng)的布里淵溫度系數(shù)及拉曼溫度系數(shù)； 此時有如下關(guān)系， ω b_ ω ob = Cbt Δ T Ir-1r0 = Crt Δ T 其中Cbt為布里淵溫度系數(shù)，Crt為拉曼溫度系數(shù)，AT為溫度變化； 再在該溫度下人工改變電纜(3)始端應(yīng)變，重復(fù)步驟1，得到布里淵頻移，減去參考值及溫度引起的布里淵頻移即得由應(yīng)變引起的布里淵頻移；通過信號調(diào)理單元(114)求出相應(yīng)的布里淵應(yīng)變系數(shù)； 此時有如下關(guān)系，
ωb_ ω Ob-Cbt Δ T = Cbll Δ μ 其中=Cbli為布里淵應(yīng)變系數(shù)，△ μ為應(yīng)變； 步驟3:斷開環(huán)形器(106)與第一單模光纖(201)，連接環(huán)形器(106)到第二單模光纖(202)，重復(fù)步驟1、2得到第二單模光纖(202)的布里淵溫度系數(shù)、布里淵應(yīng)變系數(shù)和拉曼溫度系數(shù)； 步驟4:通過變壓器(4)向電纜(3)施加電壓，拉曼/布里淵分布式傳感系統(tǒng)⑴的環(huán)形器(106)分別與第一單模光纖(201)和第二單模光纖(202)相連分兩次測量出此時線芯(301)與屏蔽層(303)各自的溫度與應(yīng)變；改變電壓，測量出不同電壓下溫度與應(yīng)變； 步驟5:根據(jù)Lam6模型，通過電纜(3)的線芯(301)與屏蔽層(303)兩位置處測量得到的溫度及應(yīng)變建立兩個方程，求出兩個未知參量楊氏模量Y和泊松比V，即在測試溫度下的楊氏模量和泊松比； 此時有如下關(guān)系，
【文檔編號】G01D5/353GK104019835SQ201410240056
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】徐陽, 錢森, 李敬飛 申請人:西安交通大學(xué)