用于将纤维光学监测系统应用于待监测部件的装置的制作方法

专利名称：用于将纤维光学监测系统应用于待监测部件的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监测分布在多个空间位置的部件(尤其是，但不限于电力分配系 统部件)的状态的方法和系统。尤其是，本发明涉及实时地和通过使用光纤监测部件(例 如在电力分配系统中用于保证系统安全性的“辅助元件”，例如保护元件)的状态和状况。 具体地，本发明涉及一种用于将纤维光学系统应用于待监测部件的装置。
背景技术：
电力分配系统包括分配网络，例如高电压(HV)分配网络。术语“高电压”指的是高于35kV的电压，甚至达到一百或以上千伏。电力分配网络利用电缆，所述电缆例如可以是高空的(架空的)或地下的，例如定 位在隧道中。除了电缆以外，电力分配网络可以包括许多不同的辅助元件，严格来说，所述辅助 元件并不在电力分配中起到直接的作用，而是用于保证分配线路的适当使用和安全性的状 况。辅助元件的例子是浪涌电压限制器(SVLs)(也被称为电涌放电器(SAs)或电涌抑 制器或覆皮电压限制器(SVLs))、用于充油电缆的油压监测系统、检查用于循环冷却水的泵 和冷却水自身温度的温度计。由于隐藏和/或危险，电缆所处的环境会是严苛的，例如在HV网络的情况下。因 此，电力分配电缆的辅助元件的监测和维护可能是繁重的并且不能经常进行。即使辅助元 件未封闭在保护盒中，它们的操作状况的监测也意味着长时间检查和/或电力分配的中 断。这确实是很不希望的，原因是电力分配线路通常为很大的区域和很多的用户服 务，他们决不愿意接受服务中断。所以需要想出一种监测辅助元件(例如SVLs、油压监测系统、温度计)的正确操作 这一问题的解决方案，目的是当它们破坏时尽可能容易地替换它们。在已公布日本专利申请JP 04-092523中，描述了一种在不施加机械力的情况下 检测接触信息的接触信息检测传感器。遮光机构被提供并且通过设在光纤的多个区域的光 分支装置和反射镜之间的接触信息操作。申请人:注意到所述遮光机构是有源型的，即，它们需要外部能量源来操作。特别 地，在一些例子中提供电源。未预见到应用于电力电缆。在已公布日本专利申请JP 2004309219中，公开了一种传感器测量系统，其包括 多个用于测量多个物理量的光线测量传感器。申请人:注意到传感器串联定位在主光纤上，而不是它的分支上，所以传感器中的 一个的强度减小使后续传感器中可用的光量减少，由此减小了测量动力学。已公布美国专利申请2004/0240769描述了一种带有存储透反射分析器的警报状 况分布式纤维光学传感器。申请人注意到透射和反射检测器都电连接到存储透反射分析o

发明内容
申请人:面对的问题是监测分布在不同空间位置的一组部件(尤其是，但不限于沿 着电力分配网络分布在不同位置的一组辅助元件(例如电涌放电器))中的物理量(例如 温度、磁效应)的变化的问题。申请人:注意到待监测部件所处的严苛环境(例如高电压和/或隐藏式电力电缆) 将意味着满足许多要求-监测系统应当是无源的；-物理量的变化发生的位置(并且可能的时刻)应当远程被识别，而不需要直接检 查，这常常是困难的，甚至不可能实现；-监测系统应当能够辨认和识别基本在相同时间在不同位置发生的物理量的多个 变化；-优选地，监测系统应当能够辨认和识别与其持续时间无关的物理量的变化(系 统反应应当快于被监测事件持续时间，然而，检测时间可以长于事件持续时间)。在本说明书和权利要求书中，术语“无源”旨在用于不需要专用能量源来执行预期 功能的装置或部件。这样的装置或部件可以通过例如由电涌(电路中的电流或电压的瞬 时突然升高)或故障或扰动产生的物理现象启动，而不需要其他供电装置，例如电池。特别 地，既不需要电能也不需要机械能。实际上，用于检测装置或部件的局部供电装置的存在会 导致与上面关于辅助元件所述相同的问题和麻烦。申请人:特别注意到，取决于特定应用和待监测部件的物理形状，将纤维光学监测 系统应用于待监测部件可能造成一些问题。申请人特别注意到待监测部件可能具有不规则 形状并且因此它们不能提供合适的均勻表面以用于接收纤维光学监测系统的光学元件。例 如通常带有不规则外表面的电涌放电器就是这种情况，所述不规则外表面可能导致作为纤 维光学监测系统的一部分的光纤的过度弯曲。附连到待监测部件(例如电涌放电器)的光 纤的过度弯曲可能引起损害监测系统的整体功能性的弯曲损耗。因此申请人面对的问题是正确地和安全地将纤维光学监测系统应用于一个或多 个待监测部件。根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于将纤维光学监测系统应用于分布 在不同空间位置的待监测部件(尤其是，但不限于电力分配网络的辅助元件，例如电涌放 电器)的适配器装置。所述适配器装置包括适于包绕待监测部件的壳体，所述壳体具有纤维光学监测系 统的第一光纤可以缠绕在其上的圆形暴露表面。所述外表面可以优选地包括用于将待卷绕在所述壳体上的光纤容纳和保持就位 的凹槽。可以提供适于防止第一光纤脱离所述凹槽的至少一个光纤保持元件。所述适配器装置可以包括适于靠近待监测部件容纳和保持纤维光学监测系统的 第二光纤的内座。可以优选地提供适于将第二光纤的自由端锚固到所述壳体的光纤电缆夹紧元件。
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所述壳体可以包括适用于在其间包围待监测部件的至少第一和第二壳体半部。可以提供适于使所述至少第一和第二壳体半部彼此系结在一起的至少一个系结 元件。所述至少一个系结元件可以包括至少一个胶带，或优选地至少一个托架。所述适配器装置可以包括适用于在外部覆盖所述壳体的暴露表面的外盖。所述外 盖可以包括适于用于在其间包围所述壳体的至少第一和第二盖半部。所述适配器装置可以与待监测部件(例如用于电力分配线路的电涌放电器)相关 地使用。本发明的另一个方面涉及这样的适配器装置在用于监测分布在不同空间位置的 多个部件的系统中的用途，所述系统包括-至少一个光纤路径；-适于将光辐射注入所述至少一个光纤路径中的光辐射源；-从所述至少一个光纤路径分叉并且适于溢出所述光辐射的相应部分的至少一个 第一光分支和至少一个第二光分支，第一和第二光分支适于可操作地与各自待监测部件相 关，其中-第一光分支包括第一光反射器并且适于反射溢出的光辐射部分，除非相应部件 至少部分损坏；-第二光分支包括-至少一个无源光衰减器，其适于可操作地耦合到各自待监测部件，并且具有能够 当操作性地与之耦合时响应各自被监测部件的操作状况的变化而变化的衰减，和-第二光反射器；-适于检测由所述第一和第二光分支反射的背反射光辐射的光接收器。为了本说明书和权利要求的目的-“光源”表示适于通过光纤传播的光辐射源；光源的例子是激光器和0TDR装置；-“光接收器”表示检测光信号、将其转换为电信号并且根据进一步使用的需要处 理电信号的装置；光接收器的例子是0TDR装置和光谱分析仪(OSAs)；-“光衰减器”表示适于改变通过光纤传输的光辐射的强度的装置；光衰减器的具 体例子是光间，其是适于基本阻止光辐射或让光辐射通过的装置；为了本发明的目的，这样 的装置由与监测其变化的物理量有关的外部物理现象启动；-“分光器”或“定向耦合器”表示用于在传输线路中分离地耦合或分裂光信号(在 已知的耦合损失中)的光耦合装置；-“耦合”表示在分光器中能量从一个光纤转移到另一光纤或它的分支；-“菲涅耳反射”表示由描述当光穿过不同折射率的介质时的特性的菲涅耳方程预 测的光辐射的反射；对于普通玻璃，反射系数为大约4%;作为例子，当光纤轴(对应于光纤 内光子的传播方向)与光纤末端表面之间的角度低于光临界角时这样的反射发生在光纤 的末端(裂开或损坏)。当光从致密传播到欠致密介质时，例如从玻璃传播到空气时，当解 析的正弦值高于1时司乃耳定律不能用于计算折射角在该点，光在入射介质中被反射，该 效应被称为内反射。在光线完全内反射之前，光在临界角折射；它直接沿着两个折射介质之 间的表面传播，而且类似于其他形式的光学现象相位不变；
-“反射器”表示适于将光辐射的一部分向回发送到它来自的地方的装置(例如反 射镜)；反射器的一个例子是由基本垂直于(80-90° )光纤的纵轴的切口产生的表面，所述 表面可选地由反射材料(例如金)覆盖；典型地反射器是反射尾纤的一部分(尾纤是具有 自由、未连接端的光纤的末段)；反射器的另一个例子是纤维光栅；-“背反射的光辐射”表示在由反射器反射之后朝着光接收器向回传播的光辐射的 部分；背反射的光辐射具有光辐射典型的特性，和可以由光衰减器和/或反射器施加到光 辐射的特性；背反射的光辐射的特性的例子是强度(作为时间的函数)、极化状态、波长、 辐射谱、强度的两个离散值之间的切换频率；背反射的光辐射背反射到光接收器的传播延 迟。为了本描述和之后的权利要求的目的，除非另外指出，表达数量、量、百分比等的 所有数字在所有情况下应当被理解为由术语“大约”修饰。而且，所有范围包括公开的最大 点和最小点的组合并且包括可能在本文中具体列举或未列举的其中的任何中间范围。


通过阅读作为典型和非限定性例子提供的本发明的一些实施例的以下描述，本发 明的特征和优点将显而易见，所述描述参考附图进行，在附图中图1在横截面图中显示了用于HV电力分配系统(本发明可以适用的一种场景) 中的电缆；图2示意性地显示了应用于电力分配系统以用于监测保护该系统的SVLs的监测 系统，其中可以利用根据本发明的一个实施例的装置；图3A-3D是适于识别被监测部件的状态的不同变化的、可以由图2的监测系统的 光接收器检测的背反射光辐射的不同图型的图形；图4A、4B、4C是SVL和用于安装在图2的监测系统的SVL光纤上的根据本发明的 一个实施例的装置的立体图；图5是用于将图2的监测系统的光纤安装在SVL上的装置的另一个实施例的透视 图；图6A-6F是图5的装置的两个壳体半部中的一个的不同视图；图7A、7B是用于将装置的壳体半部系结在一起的托架的不同视图；图8A、8B是用于将图2的监测系统的第二光分支的光纤的末端锚固到装置的两个 壳体半部之一的电缆夹紧元件的不同视图；图9A、9B是用于保持监测系统的第一分支的光纤缠绕在图5的装置上的光纤保持 元件的不同视图，以及图10是带有外部保护盖半壳的图5-9B的装置的分解轴测图。
具体实施例方式本发明涉及一种用于将纤维光学系统应用于至少一个待监测部件的装置。根据本 发明的一个实施例的装置可以有利地用于监测电力分配网络的辅助部件的纤维光学监测 系统中。特别地，待监测部件可以是与电力分配网络相关以用于保护该网络的部件。特别 地，待监测部件是电涌放电器。
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图1在横截面中显示了用于HV电力分配网络的电缆100，特别是单芯电缆。从其 中心开始并且径向向外移动地，电缆100包括中心导体105、由半导电带制造的绕扎带110、 由半导电聚合物制造的导体屏蔽层、例如由交联聚乙烯(XLPE)制造的绝缘层120、也由半 导电聚合物制造的绝缘屏蔽层125、例如由半导电吸湿带制造的半导电防水层130、由金属 片制造的金属鞘140、高密度聚乙烯(HDPE)的护套145、以及通常半导电的最后保护涂层 150。电缆100可以用于高空和地下应用。金属鞘140主要具有使电磁场均勻围绕导体105的功能。诸如闪电、电力分配网络的接通操作、线路接地故障、甩负荷、含铁共振这样的现 象(仅仅列出几个)可以导致金属鞘中的电压升高到不可接受的高值，例如高于1KV。为了 保护电缆100免受有害过电压(电涌)的伤害，使用辅助元件，特别是SVLs。典型地，多个SVLs耦合到诸如电缆100的电力分配电缆，沿着电缆大概每500m 分布有SVLs。图2示意性地显示了用于分配三相HV电力分配线路的三个相中的一个的一 段电缆100，多个相关SVLs，例如图中所示的SVLs 205a和205b沿着电缆100彼此相距一 定距离，例如以大约500m的间隔定位(为了避免不必要的复杂性，在图中仅仅显示了两个 SVLs ；然而通常若干SVLs沿着电缆分布)。每个SVL具有电连接到电缆金属鞘140的第一 端205'和电接地的第二端205〃。SVL是电力分配网络的辅助元件，实施为高非线性电阻器，并且用于需要高功率消 耗的应用，例如用在HV电力分配系统中，它包括在非金属外壳内部位于所述第一端和第二 端之间的柱体(column)中的多个金属氧化物盘。适合于本发明的SVL的例子是由ABB销 售的MW08。在金属鞘140的电压升高超过SVL的干扰阈值(被设计为保持金属鞘电压低于几 千伏)的情况下，SVL变得导电，并且因此在短暂瞬时(大约几微秒)期间，它使电缆金属 鞘接地短路，将鞘电压限制为可接受的值。在正常条件下(即，当SVL正常操作时)，除了 当电缆受到过电压时的放电期间以外，没有电流流过其中；因此，通常没有电流沿着金属鞘 140循环。SVLs是可靠部件。然而，在金属氧化物盘上游走的放电导致盘材料的部分烧结，所 述烧结与放电能量直接相关。烧结材料使得其电气特性的一部分损失。每个SVL因此可以耐受有限次数的放电(额定地和平均地，每个SVL可以经受大 约八到十次通常的开关电涌放电而不损坏)。如上所述，在正常条件下(即，当SVL正常操 作时)，除了当电缆金属鞘受到过电压时的放电期间以外，没有电流流过其中。然而，当放电 累积能量足够高时，在金属氧化物盘上形成导电路径，并且SVL损坏，变得导电并且因此失 去它的保护能力。故障SVL导致接地电流路径的建立，并且因此允许电流的循环，这不可接受地增 加了总电路损耗。在某些情况下，损坏SVL也会炸开，可能破坏电缆和周围环境。由于该原因，应当尽可能快地更换损坏或故障SVLs，并且为此应当执行安装在电 力分配线路上的SVLs的常规检查以保证这些元件正确操作，并且当检测到损坏或故障SVL 时，立即更换它。不幸的是，SVLs常常不容易接近，甚至人完全不能接近，原因是它们通常安装在保 护连接箱中，所述保护连接箱借助于专用副线连接到电缆(的金属鞘)；这些箱通常被密封
8和栓接，并且电缆本身不容易接近。这在隐藏式分配网络中相当常见。参考图2，示意性地显示了一种纤维光学监测系统，其适于允许远程监测用于保护 电缆100的SVLs的状态而不需要现场检查。总体表示为210的监测系统是无源的基于光学的系统，包括从中心监测单元220 开始沿着电缆100延伸的光纤215。对应于每个SVL 205a,205b,第一和第二分光器223a和225a、223b和225b分别 沿着光纤215设置。分光器223a和225a、223b和225b被设计为溢出它们在输入中接收 的光辐射的光功率的选定部分Ila和I2a、lib和I2b，特别是由中心监测单元220的光源 230 (例如激光源)注入光纤215中并且通过光纤215传播的光辐射的光功率I的部分。由与SVLs 205a，205b的相应一个相关的第一分光器223a、223b溢出(spilled) 的光辐射的部分Ila、lib被馈送到与所述SVL相关的相应第一光分支；第一光分支包括机 械耦合到(附连到)相应SVL205a、205b并且终止于第一反射器233a、233b的光纤的长度段 231a、231b。优选地，第一光分支的光纤的长度段231a、231b卷绕或缠绕在相应SVL 205a、 205b 上。由与SVLs 205a、205b相关的第二分光器225a、225b溢出的光辐射的部分I2a、I2b 被馈送到与所述SVL相关的相应第二光分支；第二光分支包括光衰减器235a、235b和在光 衰减器235a、235b下游的第二反射器240a、240b。当光衰减器235a、235b闭合(S卩，它处于 第一、高衰减状态)时，它阻止由相关的第二分光器225a、225b溢出的光辐射部分的传播， 防止由第二反射器240a、240b反射所述辐射。光衰减器235a、235b可以是低背反射光闸。当 光衰减器235a、235b断开(即，它处于第二、低衰减状态)时，它允许由相关的第二分光器 225a，225b溢出的光辐射部分的传播；溢出的光辐射部分因此可以到达第二反射器240a、 240b，并且由它们背反射。适合于本发明的光衰减器的一个例子是由Phoenix Photonics 销售的线内光纤光闸。每个光衰减器235a、235b以这样的方式可操作地耦合到相应SVL205a、205b使得 响应与SVL相关的物理量的变化。耦合可以是热耦合、电耦合、磁耦合或机械耦合或它们的组合。特别地，光衰减器235a、235b以这样的方式可操作地耦合到相应SVL 205a、205b 使得待监测的SVL 205a、205b的操作状况(例如电流通过SVLs)引起相关的光衰减器 235a、235b的状态的变化。例如，通用光衰减器235a，235b可以是常开光闸，其正常情况下 (即，当没有电流或低于预定阈值的电流流过相关的SVL时)阻止馈送到那里的光辐射，防 止光辐射到达第二反射器240a、240b并被反射；电流(大于预定阈值电流)通过SVL 205a、 205b导致光衰减器235a、235b闭合，使得由相应第二分光器225a、225b溢出的光辐射部分 I2a、I2b通过光衰减器并且到达第二反射器240a、240b，在那里光辐射被背反射。第一和第二反射器233a和240a、233b和240b被设计为例如通过菲涅耳反射反射 光辐射的入射部分Ila和I2a、lib和I2b。特别地，第一和第二反射器233a和240a、233b 和240b可以是通过基本正交于(成90° 士3°的角)其纵轴切割光纤和可选地通过有利 地用反射材料(例如介电层或金)涂覆这样获得的表面而获得的镜面。在存在反射材料的 情况下，所述切割可以具有本领域的技术人员已知的更大倾斜角，例如90° 士 10°。第一 或第二反射器233a或240a、233b或240b可以是反射尾纤的一部分。
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分光器223a、225a、223b、225b的每一个可以是通过耦合两个光纤制造的纯光纤 装置，一个是沿着电缆100延续的光纤215，另一个是形成与待监测通用SVL相关的第一或 第二光分支的光纤。两个光纤在一定长度上彼此光耦合；具有作为纯光纤装置(完全由光 纤制造)的优点的该类型的分光器也充当光耦合器，适于将背反射的光辐射liar、I2ar、 Ilbr、I2br再注入光纤215中。作为替换选择，可以使用微分光器，其带有从光纤215溢出 光辐射的透镜和用于将背反射的光辐射再注入光纤中的部分反射镜。中心监测单元220还包括光接收器250，所述光接收器光耦合到光纤215以接收和 允许检测沿着光纤215沿与注入光辐射相反的方向传播的背反射的光辐射Ir。特别地，光 接收器250可以包括适于将检测到的光辐射Ir转换为电信号的光电转换部分、和适于处理 由检测到的背反射光辐射Ir的转换产生的电信号的信号处理部分。光接收器250可以是如随后更详细描述的0TDR装置或0SA。监测系统210通过以下方式操作。中心监测单元220的光源230将选定波长下的光辐射I注入光纤215中；注入的 光辐射I通过光纤215传播，并且当它到达与相应SVL相关的第一分光器(例如对应于SVL 205a的第一分光器223a)时，光辐射I的选定部分Ila溢出并且被馈送到与该SVL相关的 第一光分支；光辐射的剩余部分继续通过光纤215传播以到达与SVL 205a相关的第二分光 器225a ；在这里，光辐射的选定部分I2a溢出并且被馈送到第二光分支，而光辐射的剩余部 分继续沿着光纤215传播。在沿着光缆长度定位的每个SVL处发生相同的情况。考虑处于正常状况(当SVL正确操作并且未对电缆100的金属鞘140的过电压进 行放电时)的通用SVL(例如SVL 205a)，与其相关的第一光分支闭合，S卩，它让光辐射的溢 出部分Ila通过、到达第一反射器233a并且朝着第一分光器223a背反射(在图2中，背反 射光辐射由liar表示；Ilbr表示SVL 205b的背反射的光辐射的等效物)。与SVL 205a相 关的第二光分支在正常条件下断开(由于光闸235a是常开型的)，即，它阻止光辐射的溢出 部分I2a，防止它到达反射器240a。特别地，只要考虑的SVL 205a未损坏并且不传导电流(原因是电缆100的金属鞘 140并未经历过电压)，在第一光分支中的光辐射的溢出部分Ila到达第一反射器233a，在 那里它作为背反射的光辐射部分liar朝着第一分光器223a背反射，第一分光器将背反射 的光辐射liar注入光纤215中。与SVL 205a相关的光闸235a保持在断开位置，使得光 辐射的溢出部分I2a被阻止，并且在第二光分支中没有明显背反射发生。背反射的光辐射 liar通过光纤215向回传播到中心监测单元220，在那里它由光接收器250接收和检测。在图3A中示出了在上述条件下由监测单元220检测到的可能光辐射反射图型的 一个例子(纵坐标为反射光辐射强度I (dB)，横坐标为沿着光纤215的距离L (Km))，其中在 沿着光纤215的对应于SVL205a沿着电缆100的位置的位置，光辐射反射图型中的峰值305 是可见的。当检测到这样的光辐射反射图型时，SVL 205a被判定成正确操作以及没有电流 放电事件正在发生。相反地，当SVL 205a传导电流时，例如原因是SVL正对电缆100的金属鞘140的 过电压进行放电(在该情况下SVL在短暂瞬时变得导电，并且电流猝发流过其中，然后SVL 返回它的不导电状态)，由于流过其中的电流产生的SVL温度升高导致光闸235a切换到 它的闭合状态；溢出的光辐射部分I2a因此可以通过第二光分支传播并且到达第二反射器240a ；在这里，光辐射的溢出部分的不可忽略部分I2ar朝着第二分光器225a背反射，第二 分光器将背反射的光辐射注入光纤215中。假设SVL 205未被流过其中的电流猝发损坏或 破坏，则第一光分支(特别地，卷绕在SVL 205a上的光纤的长度)也未被损坏，并且继续允 许溢出的光辐射部分Ila到达第一反射器233a，在那里它作为背反射的光辐射部分liar背 反射。详细地，第一分光器223a将背反射的光辐射liar注入光纤215中。通过光纤215 向回传播的背反射的光辐射是两种贡献的组合，一种由背反射的光辐射liar提供并且另 一种由背反射的光辐射I2ar提供。背反射的光辐射向回传播到中心监测单元220，在那里 它由光接收器250接收和检测。在图3B中示出了在与这类似的情况下由监测单元220检测到的可能光辐射反射 图型的一个例子，其中除了峰值305以外，在沿着光纤215的对应于SVL 205a沿着电缆100 的位置的位置(但是由于两个背反射的光辐射liar和I2ar所遵循的光路径不同而与峰值 305相比稍稍移位)，在光辐射反射图型中第二峰值310是可见的。当检测到这样的光辐射 反射图型时，有可能判定SVL正在经历放电事件。如果SVL 205a损坏，例如炸开，则在第一光分支中围绕SVL 205a卷绕的光纤的长 度段也损坏，并且溢出的光辐射部分Ila不再到达反射器233a ；因此，没有光辐射由与SVL 205a相关的第一光分支背反射。所以，由中心监测单元220检测到的光辐射反射图型中的 峰值305消失。SVL的损坏也可以导致第二光分支的损坏。存在两种可能性。第一种可能性是与SVL 205a相关的第二光分支，特别是光闸235a以这样的方式 损坏使得在光纤被损坏的地方可能发生菲涅耳反射。在该情况下，溢出的光辐射部分I2a 的不可忽略部分I2ar朝着第二分光器225a背反射，第二分光器将背反射的光辐射I2ar注 入光纤215中。在该情况下，由中心监测单元220检测到光辐射反射图型中的峰值。在图3C中示出了由中心监测单元220检测到的可能光辐射反射图型的一个例子 大约在图3B中的峰值310所处的沿着光纤215的位置，光辐射反射图型中的第二峰值315 是可见的。第二种可能性是与SVL 205a相关的第二光分支以这样的方式损坏使得在光纤被 损坏的地方不会发生菲涅耳反射。在该情况下，溢出的光辐射部分I2a未朝着第二分光器 225a背反射，因此中心监测单元220未在光辐射反射图型中检测到峰值。在图3D中示出了在该情况下由监测单元220检测到的可能光辐射反射图型的一 个例子。在这两种情况下，光辐射反射图型的观察允许判定SVL 205a被损坏并需要更换。取决于中心监测单元220中的光接收器250的性质，可以检测背反射光辐射的不 同特性，特别是光辐射的固有特性或由光衰减器和/或反射器赋予背反射光辐射的特性。例如，中心监测单元220可以包括既用作光源230又用作光接收器250的0TDR装 置。如本领域中已知的，0TDR装置是常常用于表征光纤的光电子器械。0TDR装置被构造成 将一连串光辐射脉冲注入光纤215中，或注入第一和第二光纤415'和415"中。光辐射脉 冲通过光纤215或通过第一和第二光纤415'和415"传播；光辐射从光纤中例如由于光纤 不均勻性而导致折射率变化的点背反射。返回脉冲的强度被测量并且作为时间的函数被积 分，并且作为光纤长度的函数例如被绘制在显示设备上。
使用0TDR装置，允许确定SVL的位置的特性可以是背反射光辐射的强度的随时间 变化。特别地，使用0TDR装置，经历状态的变化的SVL沿着光纤215或沿着第一和第二光 纤415'和415"(和因此沿着电缆100)的位置由反射图型中的反射峰值出现/消失的位
置产生。作为生成光辐射脉冲的0TDR装置的替换选择，可以使用相关0TDR装置(C0TDR)。 如本领域的技术人员已知的，C0TDR装置生成一连串光辐射脉冲并且使它们与背反射光辐 射互相关联。作为0TDR或C0TDR的使用的替换选择，可以与在与不同SVLs相关的第一和第二 光分支中提供波长选择性光学部件组合相组合地使用0SA。例如，在与通用SVL相关的第一 和第二光分支中，滤波器可以与第一和第二反射器相关，从而允许在对应于该SVL的选定 波长下的光辐射的背反射。因此，来自不同SVLs的背反射的光辐射由不同波长表征，并且 0SA可以基于背反射的光辐射的不同波长进行区分不同SVLs。滤波器可以是被设计成根据 SVL选择性地反射不同波长的光辐射的光纤光栅，所述光纤光栅可以用于形成第一和第二 反射器以代替使用高反射率尾纤。与SVLs相关的第二光分支中的光衰减器235a、235b可以是无源的热光衰减器。特 别地，光衰减器235a、235b可以是纯光纤、“消散场”设备。使用热光衰减器，监测单元220处的0TDR或C0TDR装置能够基于背反射的光辐射 的强度的峰值的位置的确定识别哪个SVLs传导电流或被损坏；与插入在第一和第二光分 支中的光纤组合地使用0SA，可以基于背反射的光辐射的波长识别SVL。使用0TDR或C0TDR 装置或0SA，也有可能通过对反射峰值310或510出现的次数进行计数来“计数”由每个 SVLs单独承受的放电事件的数量。这样有可能执行SVLs的预防维护当通用SVL接近它 可以承受而不损坏的最大放大数量(典型地，八到十)时，可以安排更换它。其他类型的光衰减器可以用作热光衰减器的替换选择，例如基于电光效应或磁光 效应的光衰减器，或机械光间。而且，两个或以上不同类型的光衰减器可以组合例如，热光 衰减器可以与电机械光衰减器结合使用。更一般地，可以使用适于衰减和/或阻止入射光 辐射或让它通过的任何部件。分光器223a、223b、225a、225b可以具有一致的分光比，或备选地，每个分光器可 以具有独特的分光比。例如，靠近中心监测单元220的分光器的分光比可以低于远离中心 监测单元定位的分光器的分光比，使得对应于更靠近中心监测单元220的SVLs的背反射的 光辐射强度的峰值被降低。例如，最远离中心监测单元220的分光器可以具有50/50分光 率，而其他分光器可以具有20/80分光比。特别地，分光比可以取决于反射器233a、233b、 240a、240b的反射率。例如，在被切割光纤边缘处的简单菲涅耳反射的情况下，分光比(溢 出的光辐射的量)应当增加，而使用高反射率尾纤允许减小分光比。当远离光源移动时，在 每个分光器处溢出的光辐射的部分可以单调减小。而且，为了调节(减小)由每个反射器 233a、233b、240a、240b背反射的光辐射的强度，光纤环可以设在反射器之前通过改变光 纤环的弯曲半径，光损耗增加/减小。使用图2中所示的监测系统210，可以监测沿着电力分配线路散布的辅助元件的 操作状况，而且可以识别哪个辅助元件正经历电缆上的物理事件或被损坏或接近损坏。因 此当实际需要时和以更高效的方式执行电力分配网络的维护操作，使得在时间和频率上减
12少任何可能的服务中断。此外，可以建立预防维护时间表，用于当辅助元件接近平均最大工 作寿命时在它们实际损坏之前更换或恢复它们。监测系统210是完全无源的并且可以通过例如由电涌或故障或扰动产生的物理 现象启动，而不需要其他外部能量馈送，例如电池等。可以远离电力分配线路定位(即，不在现场)的中心监测单元的集中特征使光源 的维护容易。如本说明书的“发明内容”部分中所述，将纤维光学监测系统应用于待监测部件可 能遇到一些问题。特别地，待监测部件可能具有不提供用于安装纤维光学监测系统的光学 元件的合适表面的不规则形状。例如，用于监测和保护电力分配线路的电缆的SVLs就是这 种情况。例如，作为纤维光学监测系统的一部分并且附连到待监测部件(例如电涌放电 器)的光纤的过度弯曲可能引起损害监测系统的整体功能性的弯曲损耗。SVLs是通常具有不规则形状的典型部件。所以，围绕相应SVL并在其上直接缠绕 光纤的长度段231a、231b是基本不可行的，原因是不可避免地导致发生光纤的过度弯曲。 关于将光衰减器235a、235b安装在SVLs上，也可能出现问题。为了纤维光学监测系统正确工作，应当必须保证将与待监测部件(例如上述 SVLs)相关的纤维光学监测系统的光学元件在合适的、已知的和恒定的(在时间上)的位置 被维护，以便保证检测到待监测事件的高概率。所以，监测系统的光学元件的安装应当例如 保证SVL中的物理变化对所述光学元件产生较高影响，同时相反地，应当保持光路径上的 光损耗低并且应当避免光学元件的任何原因的损坏(例如由于锐角、外部进入、湿气渗透 等)以便提高光学元件的工作寿命。此外，需要在光学元件的工作寿命、安装、储存和操作期间保护光学元件免于可能 的损坏，而且光学元件安装在SVLs上也必须容易。根据本发明的一个实施例，使用用于将纤维光学监测系统的光学元件应用于SVLs 的一种装置。特别地，根据本发明的一个实施例的装置是适配器，其允许光纤的长度段(其属 于上述第一光分支)缠绕在待监测部件上，而不导致所述光纤的过度弯曲。而且，适配器允 许属于上述第二光分支的光衰减器与所述待监测部件相关。图4A在立体图中显示了例如可以代表图2的SVLs 205a、205b中的一个的SVL 405。图4B以风格化方式示意性地显示了根据本发明的一个实施例的适配器装置，所述装 置安装在SVL 405上。总体表示为410的适配器装置包括壳体450，所述壳体具有外部大体 圆柱形状。适配器装置在内部是中空的并且具有适于通过应用于其上而围绕、包围SVL 405 的尺寸。特别地，壳体450由两个分离的、通常半圆筒形半部410a和410b形成，所述半部 彼此靠近布置以围绕SVL 405的外表面，让其上端和下端暴露。两个半部410a和410b外 部具有圆形、平滑表面，带有适合于避免适配器装置所支撑的光纤的过度和危险弯曲的弯 曲半径。优选地，所述弯曲半径高于20mm。更优选地，所述弯曲半径被包括在从大约22mm 到大约30mm的范围内。在使用中，监测系统210的第一光分支的光纤的长度段23la、23lb (其与SVL 405 相关)在外部围绕壳体450的两个半部410a和410b缠绕。根据本发明的一个实施例，适配器装置410的壳体450的平滑表面和预定弯曲半径避免了过度的光纤弯曲并且减小了弯 曲损耗和光纤损坏。优选地，在它们的外表面上，两个半部410a和410b设有深度(例如 3mm)适合于容纳和将待围绕壳体450缠绕的光纤保持在安全和正确位置的在轴向上相继 的凹槽413。监测系统210的第二光纤分支(所述第二分支包括可变衰减器235a、235b (在图 4B中不可见))容纳在设在SVL 405与适配器装置410的壳体450之间的内部空间中。为 了容纳第二光纤分支和光衰减器，容纳部(例如凹槽)优选地形成于两个半部410a、410b 中的一个的内表面中。进一步地容纳部也可以设在两个半部410a、410b中的一个或两者中 以用于容纳分别与第一和第二光分支相关的第一和第二反射器233a和240a、233b和240b。第一和第二光分支的光纤(其与SVL相关)可以是可以固定到适配器装置410的 壳体450的相应单光纤电缆的一部分。备选地，可以仅仅使用一个双光纤电缆，所述电缆带 有用于形成上述第一和第二光分支的两个光纤。保护装置可以用于保护可变衰减器235a、 235b。类似保护装置也可以设在光纤长度段231a、231b的自由端。优选地，该保护装置采 用保护玻璃管的形式。一旦彼此靠近围绕和接触SVL 405布置，两个半部410a和410b可以借助于至少 一个系结带(例如由胶带(未在图中显示)制造的一对带条)绑在一起。根据本发明的一个实施例，适配器装置410带有包括两个盖半壳415a和415b的 外部保护盖，所述盖半壳适于叠加布置，从而在外部包围壳体450的两个半部410a和410b 的每一个。两个盖半壳415a和415b可以由合适的装置(例如螺钉)牢固保持在位。备选 地，胶带可以用于将两个盖半壳415a和415b保持在位。在图4C中示意性地显示了所述实 施例的最后组装。由两个盖半壳415a和415b形成的保护盖保护接收在壳体450的凹槽 413内的光纤。必要时可以去除保护盖以允许检查光纤。在图5、6A-6F、7A、7B、8A、8B、9A、9B和10中显示了根据本发明的进一步实施例的
适配器装置。特别地，图5是组装在SVL上的根据本发明的一个实施例的适配器装置的透视图。 在图6A-6F、7A、7B、8A、8B、9A、9B中显示了图5的装置的组成部分；图10在分解图中显示了 带有外部保护盖的适配器装置。详细地，图6A、6B、6C、6D、6E和6F仅仅分别在从凹侧的正视图中、从外侧的正视图 中、从背(凸)侧的正视图中、从另一外侧的正视图中和在从下面和从上面的顶视平面图中 示出了适配器装置的壳体的一个半部。优选地，两个半部410a、410b彼此相同(从制造和 库存管理的观点来看，这方面特别方便)；所以，在上述图中仅仅表示了一个半部。如图中所示，根据所述进一步实施例的每个壳体半部610具有大体半圆筒形状。 在壳体半部610的主体的外表面的中心部分，形成在轴向上相继的凹槽613，所述凹槽适于 将待围绕壳体缠绕的光纤容纳和保持就位。图中所示的典型实施例带有十一个凹槽。特 别地，所有凹槽613a围绕壳体半部610的主体的基本整个外表面延伸，而两个凹槽613b、 613c仅仅在一部分上，特别是分别在壳体半部610的主体的外表面的大约一半和在壳体半 部610的主体的外表面的另一半上延伸。详细地，凹槽613b靠近壳体半部610的底部定位 并且它是纤维长度段231a、231b的缠绕开始的凹槽，而凹槽613c靠近壳体半部610的顶部 定位并且它是纤维长度段231a、231b的缠绕结束的凹槽。
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在壳体半部610的主体的外表面的最顶部和最底部部分中，分别形成用于容纳系 结元件的大体矩形凹窝620a和620b，所述系结元件适于在两个壳体半部围绕SVL放置之 后将两个壳体半部彼此系结在一起。特别地，如图7A和7B中所示，系结元件包括通常为C 形的一对托架705。在使用中，两个托架705中的一个的末端710适配两个壳体半部的凹窝 620a,而另一托架705的末端710适配两个壳体半部的凹窝620b。每个凹窝620a和620b 具有中心孔625，并且托架705的末端710具有形成于其中的贯通狭槽715。在使用中，当 托架705被定位成它们的末端710容纳在凹窝620a和620b中时，两个托架705的末端710 的狭槽715与形成于凹窝620a和620b中的孔625对准使得例如由尼龙制造的沉头螺钉 (在图5中可见)被插入狭槽715和孔625中以将托架705保持在位并且将两个壳体半部 610适当地接合到SVL(即，接合到待监测部件)。每个壳体半部610的内部形状适于围绕、包围和接触SVL的一部分。特别地，壳体 半部610的内凹表面具有大致平面的、相对的侧壁630，所述侧壁由具有大体匹配SVL的弯 曲半径的弯曲半径的大体圆形后壁635联接。在两个侧壁630中的一个的附近，竖向延伸 凹窝640形成于壳体半部610中，所述凹窝适于容纳与SVL相关的第二光分支的光纤和相 关的可变衰减器235a、235b。在顶部，壳体半部610带有适于容纳用于形成与SVL相关的第二光分支的光纤的 终端的电缆夹紧元件的底座645。电缆夹紧元件在图8A和8B中分别在俯视图和正视图中 被显示，并且总体由参考数字805表示。电缆夹紧元件805包括具有带齿通道813的附件 810，所述带齿通道适于夹紧用于形成第二光分支的光缆，并且适于在作用于光缆的拉力的 情况下使它保持平稳。电缆夹紧元件805具有中心通孔815，当电缆夹紧元件放置在底座 645中时，所述中心通孔与形成于底座645的底壁中的孔650对准。一旦定位在底座645 中，电缆夹紧元件805可以借助于例如由尼龙制造的螺钉(特别是沉头螺钉(未在图中显 示))牢固地保持在位，所述螺钉的杆部可以穿过电缆夹紧元件805的通孔815并且插入底 座645的孔650中。图9A和9B分别在侧视和前视图中示出了光纤保持元件905，所述光纤保持元件可 以用于将围绕壳体缠绕的光纤的长度段保持就位。特别地，光纤保持元件905具有大体矩 形形状并且它带有凸舌910，所述凸舌适于至少部分穿透到凹槽613a的一个中以便防止容 纳在其中的光纤脱离。光纤保持元件905还包括突出销915，所述突出销适于卡扣在于凹 槽613a的嵴部(crest)中在轴向上相继形成的多个孔655的一个中。一个或更多个保持 元件905可以用于将光纤保持在凹槽613a内。在使用中，两个壳体半部610围绕纤维光学监测系统与其相关的SVL布置。形成 第二光分支的光纤和可变衰减器容纳在两个壳体半部610中的一个的竖向凹窝640中并 且光纤电缆的终端使用电缆夹紧元件805固定到壳体半部。然后，借助于两个托架705将 两个壳体半部610系结在一起。形成第一光分支的光纤围绕壳体缠绕并且光纤容纳在凹槽 613a、613b和613c内部。一个或更多个光纤保持元件905可以用于将光纤保持就位。优选地，在图10中可见，提供外部保护盖以在外部保护围绕两个壳体半部610缠 绕的光纤。特别地，在本发明的一个实施例中，外部保护盖包括两个盖半壳1005，所述盖半 壳适于叠加定位，从而在外部包围两个壳体半部610的每一个。两个盖半壳1005可以由合 适的装置(例如螺钉)牢固保持在位。备选地，胶带可以用于将两个盖半壳1005保持在位。必要时可以去除由两个盖半壳1005形成的保护盖以允许检查光纤。根据本发明的适配器装置保证了与待监测部件(例如SVL)相关的纤维光学监测 系统的光纤(和任何另外的光学元件，例如可变衰减器)不会遇到由于所述部件通常具有 的不规则形状导致的过度弯曲的问题。而且，本发明的适配器装置保证了与所述待监测部 件相关的纤维光学监测系统的光纤(和任何另外的光学元件，例如可变衰减器)保持在合 适的和安全的位置。这显著改善了纤维光学监测系统的性能。考虑本发明的一些典型实施例描述了本发明，然而本领域的技术人员应当理解， 例如为了满足临时需要，所述实施例的若干修改以及本发明的不同实施例是可能的。例如，相对于所示和所述实施例，适配器装置可以具有不同形状，由不同数量的部 分(例如两个以上半部)组成并且具有不同的尺寸。而且，尽管总是参考SVLs的监测，本发明具有更广泛的应用并且可以用于允许将 纤维光学监测系统应用于电力分配线路的任何辅助元件，例如电缆接头。更一般地，本发明 可以用于将纤维光学监测系统应用于位于不同位置的任何性质的部件(例如电机)。
1权利要求
一种用于将纤维光学监测系统应用于待监测部件(405)的适配器装置(410)，所述适配器装置包括适于围绕待监测部件的壳体(450；610)，所述壳体具有纤维光学监测系统的第一光纤(231a)能够包绕在其上的圆形暴露表面。
2.根据权利要求1的适配器装置，其中所述表面包括用于容纳和将待包绕在所述壳体 上的光纤保持就位的凹槽(413 ；613a.613b.613c)。
3.根据权利要求2的适配器装置，包括适于防止第一光纤脱离所述凹槽的至少一个光 纤保持元件(905)。
4.根据权利要求1、2或3的适配器装置，包括适于靠近待监测部件容纳和保持纤维光 学监测系统的第二光纤的内座(640)。
5.根据权利要求4的适配器装置，包括适于将第二光纤的自由端锚固到所述壳体的光 纤电缆夹紧元件(805)。
6.根据前述权利要求中的任一项述的适配器装置，其中所述壳体包括至少第一和第二 壳体半部(410a，410b ；610)，其适用于在其间包围待监测部件。
7.根据权利要求6的适配器装置，包括适于使所述至少第一和第二壳体半部彼此系结 在一起的至少一个系结元件(705)。
8.根据权利要求7的适配器装置，其中所述至少一个系结元件包括至少一个胶带。
9.根据权利要求6的适配器装置，其中所述至少一个系结元件包括至少一个托架 (705)。
10.根据前述权利要求中的任一项的适配器装置，包括适用于在外部覆盖所述壳体的 暴露表面的外盖(415a，415b ； 1005)。
11.根据权利要求10的适配器装置，其中所述外盖包括至少第一和第二盖半部(415a， 415b ；610)，其适用于在其间包围所述壳体。
12.根据前述权利要求中的任一项的适配器装置，其中所述待监测部件包括用于电力 分配线路的电涌放电器。
13.根据前述权利要求中的任一项的适配器装置在用于监测分布在不同空间位置的多 个部件(205a，205b)的系统中的用途，所述系统包括-至少一个光纤路径(215)；_适于将光辐射(1;1'，I")注入所述至少一个光纤路径(215)中的光辐射源 (230)；-从所述至少一个光纤路径(215)分支并且适于溢出所述光辐射(I ，I")的相应 部分(Ila，I2a，Ilb，I2b)的至少一个第一光分支和至少一个第二光分支，第一和第二光分 支适于可操作地与相应待监测部件(205a，205b)相关，其中-第一光分支包括第一光反射器(233a，233b)并且适于反射溢出的光辐射部分(Ila， lib)，除非相应部件(205a, 205b)至少部分损坏；-第二光分支包括-至少一个无源光衰减器(235a，235b)，其适于可操作地耦合到相应待监测部件 (205a，205b)，并且具有能够当操作性地与待监测部件耦合时响应相应被监测部件(205a， 205b)的操作状况的变化而变化的衰减，和-第二光反射器(240a，240b)；-适于检测由所述第一和第二光分支反射的背反射光辐射(Ilar，I2ar，Ilbr，I2br)的 光接收器(250)。
全文摘要
一种用于将纤维光学监测系统应用于待监测部件(405)的适配器装置(410)包括适于围绕待监测部件的壳体(450；610)，所述壳体具有纤维光学监测系统的第一光纤(231a)能够缠绕在其上的圆形暴露表面。
文档编号G01D5/353GK101918799SQ200780102127
公开日2010年12月15日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者K·J·罗伯茨, M·V·戴维斯, S·J·米勒德 申请人:普雷斯曼电缆和系统有限公司