分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用

　　一、引言

　　隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)正在朝著超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自動化的方向發(fā)展，一旦發(fā)生事故便會對國民經(jīng)濟造成巨大損失。如何對正在運行的電力設備進行在線監(jiān)測并進行安全預測和溫度變化趨勢分析?如何通過實時數(shù)據(jù)對設備質(zhì)量、運行環(huán)境、運行方式、設備老化、負荷不平衡等進行科學分析?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)等只能對電力系統(tǒng)的局部位置進行測溫，無法為安全、經(jīng)濟運行、高效檢修提供科學依據(jù)。而分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點、在線的分布式測量，實現(xiàn)了運行設備的實時在線監(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、火災等事故應急不備的問題。在電力系統(tǒng)中，這種光纖測溫技術在高壓電力電纜、電氣設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)電機定子、大型變壓器、鍋爐等設施的溫度定點傳感場合具有廣泛的應用前景。

　　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)的是光纖的光時域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應。

　　(一)光時域反射(OTDR)原理

　　當激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生散射。在時域里，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時間為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。在測得時刻t時，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

　　當一個激光脈沖從光纖的一端射入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播。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都會產(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度與光線中的反射點的溫度有一定的相關關系。反射點的溫度(該點光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強度也越大。利用這個現(xiàn)象，若能測出后向反射光的強度，就可以計算出反射點的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理。

　　如用公式來表達：當激光脈沖在光纖中傳播時與光纖分子相互作用，會發(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，那么將發(fā)出一個比光源波長長的光，稱為斯托克斯光;如果一部分熱振動轉(zhuǎn)換為光能，那么將發(fā)出一個比光源波長短的光，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，兩束反射光的光強與溫度有關，它們的比值R(T)為：

　　(1)其中，和分別是斯托克斯光強和反斯托克斯光強，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。從(1)式中可以看出，R(T)僅與溫度T有關。因此，我們可以借助反斯托克斯與斯托克斯光強之比來實現(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：計算機控制同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有一定重復頻率的脈沖，這個脈沖一方面調(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，進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。光脈沖經(jīng)過波分復用器的一個端口進入到傳感光纖，并在光纖中各點處產(chǎn)生后向散射光，返回到波分復用器中。后向散射光通過波分復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)波分復用器的另外兩個端口輸出，并分別進入到光電檢測器(APD)和放大器中進行光電轉(zhuǎn)換和放大，將信號放大到數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的范圍上。最后由數(shù)據(jù)采集卡進行存儲和處理，用于溫度的計算。

　　四、分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用

　　(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。電纜常常會由于長期運行而絕緣老化，會由于所處外部環(huán)境惡劣及內(nèi)部高負荷電流而引起局部高溫甚至火災。因此，有必要對電纜進行實時、在線監(jiān)測，及時地發(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)可以通過對電力電纜的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，實時掌握整條線路的運行狀態(tài)，有效監(jiān)測電纜在不同負載下的發(fā)熱狀態(tài)，提高對電纜的管理水平;可以對電纜溝內(nèi)的火情進行監(jiān)測與報警，識別電力電纜的局部過熱點，提前發(fā)現(xiàn)電纜故障并預警，預防事故的發(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荷變化，合理地配置負荷，擴大現(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)因其自身獨特的優(yōu)點，被廣泛應用于變電站的溫度監(jiān)測中。它可以實現(xiàn)對主設備的溫度監(jiān)測，通常采用帶有外護套的光纖電纜作為主變壓器室火情監(jiān)視報警系統(tǒng)，采用熱塑料外護套的光纖電纜進行“零距離”實時監(jiān)測變壓器的套管、GIS穿墻管及導線連接處的溫度。它可以對開關柜內(nèi)易發(fā)熱部位實時進行監(jiān)測，將其同開關柜體的通風系統(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，可以實時監(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

　　開關柜內(nèi)的電纜接頭，10KV、35KV高壓開關柜中動靜觸頭及電氣設備的連接頭由于長期運行，可靠性和接觸性會變差，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，使得接觸電阻進一步增大，形成惡性循環(huán)，發(fā)展到一定程度，便會造成嚴重故障，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，實時監(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。對于發(fā)電機繞組、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，提高了測量的準確性，并在溫度曲線中能快速地找到高溫故障點。

　　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、光電控制及計算機等技術于一體，具有本質(zhì)安全、長期可靠、不受電磁干擾、測溫精度高、實時在線等優(yōu)點，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)運行設備的多點、實時、在線監(jiān)測。該系統(tǒng)已在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中廣泛應用并得到認可，進一步完善該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將使其在電力系統(tǒng)中的應用前景更加廣闊。