分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　一、引言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)正在朝著超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自動(dòng)化的方向發(fā)展，一旦發(fā)生事故便會(huì)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。如何對(duì)正在運(yùn)行的電力設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測并進(jìn)行安全預(yù)測和溫度變化趨勢(shì)分析?如何通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行方式、設(shè)備老化、負(fù)荷不平衡等進(jìn)行科學(xué)分析?這些都是電力系統(tǒng)中迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的紅外測溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、熱電阻式測溫系統(tǒng)等只能對(duì)電力系統(tǒng)的局部位置進(jìn)行測溫，無法為安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、高效檢修提供科學(xué)依據(jù)。而分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)、在線的分布式測量，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，有效地解決了長期以來現(xiàn)場出現(xiàn)的高溫、燃燒、爆炸、火災(zāi)等事故應(yīng)急不備的問題。在電力系統(tǒng)中，這種光纖測溫技術(shù)在高壓電力電纜、電氣設(shè)備因接觸不良引起的發(fā)熱部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機(jī)定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的溫度定點(diǎn)傳感場合具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　二、分布式光纖測溫的基本原理

　　分布式光纖測溫系統(tǒng)依據(jù)后向散射原理可以分為三種：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發(fā)展比較成熟，且有產(chǎn)品應(yīng)用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)。它的傳感原理主要依據(jù)的是光纖的光時(shí)域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)。

　　(一)光時(shí)域反射(OTDR)原理

　　當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會(huì)產(chǎn)生散射。在時(shí)域里，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L， ， ，其中v為光在光纖中的傳播速度、C為真空中的光速，n為光纖折射率。在測得時(shí)刻t時(shí)，就可求得距光源L處的距離。

　　(二)光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)

　　當(dāng)一個(gè)激光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。由于光脈沖與光纖內(nèi)部分子發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞，故光脈沖在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反(亦可稱為后向)。這種后向反射光的強(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(該點(diǎn)光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強(qiáng)度也越大。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測出后向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理。

　　如用公式來表達(dá)：當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)與光纖分子相互作用，會(huì)發(fā)生瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射，其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動(dòng)和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的。如果一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動(dòng)，那么將發(fā)出一個(gè)比光源波長長的光，稱為斯托克斯光;如果一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光能，那么將發(fā)出一個(gè)比光源波長短的光，稱為反斯托克斯光。根據(jù)拉曼散射理論，在自發(fā)拉曼散射條件下，兩束反射光的光強(qiáng)與溫度有關(guān)，它們的比值R(T)為：

　　(1)其中，和分別是斯托克斯光強(qiáng)和反斯托克斯光強(qiáng)，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。從(1)式中可以看出，R(T)僅與溫度T有關(guān)。因此，我們可以借助反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)之比來實(shí)現(xiàn)溫度的測量。

　　三、分布式光纖測溫系統(tǒng)的傳感過程

　　如圖1所示，分布式光纖測溫系統(tǒng)的傳感過程為：計(jì)算機(jī)控制同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的脈沖，這個(gè)脈沖一方面調(diào)制脈沖激光器，使之產(chǎn)生一系列大功率光脈沖，另一方面向高速數(shù)據(jù)采集卡提供同步脈沖，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。光脈沖經(jīng)過波分復(fù)用器的一個(gè)端口進(jìn)入到傳感光纖，并在光纖中各點(diǎn)處產(chǎn)生后向散射光，返回到波分復(fù)用器中。后向散射光通過波分復(fù)用器中的薄膜干涉濾光片分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)波分復(fù)用器的另外兩個(gè)端口輸出，并分別進(jìn)入到光電檢測器(APD)和放大器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，將信號(hào)放大到數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的范圍上。最后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，用于溫度的計(jì)算。

　　四、分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　(一)電力電纜的溫度監(jiān)測

　　在電力系統(tǒng)中，電纜線路起到傳輸高壓電能的作用。電纜常常會(huì)由于長期運(yùn)行而絕緣老化，會(huì)由于所處外部環(huán)境惡劣及內(nèi)部高負(fù)荷電流而引起局部高溫甚至火災(zāi)。因此，有必要對(duì)電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障，將事故消除在萌芽狀態(tài)。分布式光纖測溫系統(tǒng)可以通過對(duì)電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握整條線路的運(yùn)行狀態(tài)，有效監(jiān)測電纜在不同負(fù)載下的發(fā)熱狀態(tài)，提高對(duì)電纜的管理水平;可以對(duì)電纜溝內(nèi)的火情進(jìn)行監(jiān)測與報(bào)警，識(shí)別電力電纜的局部過熱點(diǎn)，提前發(fā)現(xiàn)電纜故障并預(yù)警，預(yù)防事故的發(fā)生;可以優(yōu)化輸配電的資本，根據(jù)溫度可以確定電纜的負(fù)荷變化，合理地配置負(fù)荷，擴(kuò)大現(xiàn)有電纜的容量，增加電纜的工作壽命;可以發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行過程中的外力破壞。

　　(二)變電站的溫度監(jiān)測

　　分布式光纖測溫系統(tǒng)因其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于變電站的溫度監(jiān)測中。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主設(shè)備的溫度監(jiān)測，通常采用帶有外護(hù)套的光纖電纜作為主變壓器室火情監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)，采用熱塑料外護(hù)套的光纖電纜進(jìn)行“零距離”實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的套管、GIS穿墻管及導(dǎo)線連接處的溫度。它可以對(duì)開關(guān)柜內(nèi)易發(fā)熱部位實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，將其同開關(guān)柜體的通風(fēng)系統(tǒng)配合使用，可以使柜內(nèi)的溫度始終保持在允許的范圍內(nèi);將光纖纏繞在柜體內(nèi)電纜接頭上、斷路器小車的一次插頭隔弧罩上或靜觸頭熱縮套上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測其溫度，在演變成事故之前，及早發(fā)現(xiàn)并采取措施。

　　(三)高壓配電裝置的溫度監(jiān)測

　　開關(guān)柜內(nèi)的電纜接頭，10KV、35KV高壓開關(guān)柜中動(dòng)靜觸頭及電氣設(shè)備的連接頭由于長期運(yùn)行，可靠性和接觸性會(huì)變差，是易出故障的薄弱環(huán)節(jié)。其原因主要是這些部位接觸不良、接觸電阻較大，在大電流情況下熱功率很大，從而造成過熱，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，發(fā)展到一定程度，便會(huì)造成嚴(yán)重故障，破壞供電的安全可靠。分布式光纖測溫系統(tǒng)可以將光纖纏繞在接頭上，實(shí)時(shí)監(jiān)測其溫度，在演變成事故前，及早發(fā)現(xiàn)并采取處理措施。對(duì)于發(fā)電機(jī)繞組、變壓器等體積比較大的重要部件，可將光纖纏繞在其表面，增加了測量該區(qū)域的光纖長度，提高了測量的準(zhǔn)確性，并在溫度曲線中能快速地找到高溫故障點(diǎn)。

　　五、結(jié)語

　　分布式光纖測溫系統(tǒng)集光纖傳感、光纖傳輸、光纖通信、光電控制及計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體，具有本質(zhì)安全、長期可靠、不受電磁干擾、測溫精度高、實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的多點(diǎn)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測。該系統(tǒng)已在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用并得到認(rèn)可，進(jìn)一步完善該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將使其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景更加廣闊。