拉曼光纤测温原理及在电力系统中的应用

第２６卷第３期　２０１０年３月　电力科学与工程　Ｖ０Ｉ．２６．Ｎｏ．３　Ｍａｒ．，２０１０　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　拉曼光纤测温原理及在电力系统中的应用　孙国善，侯思祖，陈　超　（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定０７１００３）　摘要：分布式光纤测温在电力系统得到普遍应用。首先介绍了拉曼分布式光纤传感器的工作原理和结构，　进行了温度传感实验。最后介绍了该传感器在电力系统的应用，给出了一个检测电缆温度的应用实例。　关键词：拉曼散射；温度；电气设备；电力系统　中图分类号：ＴＰ２１２．９　文献标识码：Ａ　Ｎ。＝Ｋ　ｓｄＮｅｅｘｐ［一（　０＋　）Ｌ］　。（Ｔ）　（２）　０引　言　式中：　，　分别为与光纤斯托克斯和反斯托克　斯散射截面有关的系数；Ｓ为光纤的后向散射因　分布式光纤测温系统是近年发展起来的一种　子；　，　分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光　用于实时测量空间温度场分布的传感系统，由于　子频率；ｎ。，ａ　，ａ。分别为人射光，斯托克斯散　系统具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐　射光和反斯托克斯散射光频率的光纤传输损耗；Ｌ　高压、能实现实时快速多点测温并定位等优点，　为光纤待测局域处的长度；Ｒ　（Ｔ），Ｒ　（　）分别　因而其应用领域十分广泛。目前，发电厂、变电　为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的　站、冶金、石化等企业的电力电缆、高压开关柜、　系数，它们与光纤局域处的温度有关。Ｒ　（　），　发电机、大功率高压电动机等设备的故障隐患往　往伴随着设备关键部位的温度升高，所以过热监　测是故障预警的有效手段。随着光纤技术的发展，　光纤传感技术在电力设备故障检测中的应用得到　了逐步推广，其中分布式光纤测温技术彻底解决　（　）分别为　Ｒｓ（　）：　ｅｘｐ（　（３）　尺。（　）＝Ｅ　ｅｘｐ（￣１一１］一　（４）　　为玻尔兹曼常量。实际　了困扰电力设备运行中过热监测的难题，可实现　式中：ｈ为普朗克常量；测量时，可用光纤的斯托克斯散射ＯＴＤＲ曲线解　对电力设备故障发热敏感部位温度的准确、实时　调光纤的反斯托克斯散射ＯＴＤＲ曲线，此时有　在线监测和故障预警、精确定位¨　。　１分布式光纤测温原理　１．１温度测量原理　丽　【　Ｊ　ｅｘｐＩ　Ｊ１ｅｘｐ　［一（　－ｏ。　ｌ，…）ＬＪ（５））Ｊ　：　当利用式（５）进行温度测量时，可用Ｔ：７０　的起始温度来确定被测光纤上各点的温度，式　（５）变为　泵浦光注入光纤后，其部分能量转为拉曼散　射光，当泵浦光的能量小于阈值时，光纤分子的　热平衡没有被破坏，这种拉曼散射叫自发拉曼散　射，在光纤￡处的斯托克斯散射光子数为　而　￣ｒｔｌ　。ｘｐｆ　）ｅｘｐ［一（　。－ｏｔｓ）…ＬＪ（６）　。ｌ　ｐ　口　【ｏ　：－一．式（５），（６）相除，得　／一ｈａｙ、　一　Ｎｓ＝ＫＩｓ］　４　ｅｘｐ［一（Ｏｔｏ＋　）Ｌ］Ｒ　（Ｔ）　在光纤　处的反斯托克斯散射光子数为　收稿日期：２００９—１０—１２。　（１）　唧夏！　…　（　）　作者简介：孙国善（１９７９一），男，硕士研究生，研究方向为分布式光纤传感，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｇｕｏｓｈａｎ８＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ。　第３期　孙国善，等拉曼光纤测温原理及在电力系统中的应用　２７　由式（７）可得到局域处的温度　为　到光电检测器和主放大器中进行光电转换和放大，　寺＝了　Ｉ＿　一一　式　。　而Ｊ］　㈣　此时数据采集卡将传感光纤各点散射回来的光电　和平均等数据处理。最终由计算机通过编译好的　软件进行温度解调和显示。　将信号放大到数据采集卡能够有效采集的范围上。　式（８）为典型的用斯托克斯散射ＯＴＤＲ曲线解调　信号进行采集和存储，产生一条光纤温度曲线，　反斯托克斯散射ＯＴＤＲ曲线的被测温度　的表达　并等待后续光脉冲产生的散射光电信号进行累加　１．２分布式测量原理　当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存　在折射率的微观不均匀性，会产生散射。在时域　里，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时　间为ｔ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为２，Ｊ，　２Ｌ＝　・ｔ，　为光在光纤中传播速度，　＝Ｃ／ｎ；Ｃ为　真空中的光速；ｒｔ为光纤折射率。在测得时刻ｔ　时，就可求得距光源三处的距离，即定位距离。　而接收光功率公式可表示为时间函数，即Ｐ（ｔ）　＝０．５ｖＳＦＥ。ｅｘｐ（一　ｔ），其中Ｓ为后向散射因　子；Ｆ为单位长度上的光后向散射系数；　为人　射光的单位长度上的损耗系数。时问的不同又对　应着光纤位置的不同，这就意味着光电探测器探　测到的光功率为光纤位置的函数，那么不同光纤　位置￡处的光功率均可被探测器探测到。随着，Ｊ　逐渐增加，探测器就实现了对沿光纤分布待测温　度场的空间分布式测量　。　１．３系统框图及工作过程　如图ｌ，计算机控制同步脉冲发生器产生具　有一定重复频率的脉冲，这个脉冲一方面调制脉　冲激光器，使之产生一系列大功率光脉冲；同时　向高速数据采集卡提供同步脉冲，使其进人数据　采集状态。光脉冲经过波分复用器的一个端口进　入到传感光纤，并在光纤中各点处产生后向散射　光，返回到波分复用器。后向散射光通过薄膜干　涉滤光片分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，　经波分复用器的另外两个端口输出，并分别进入　厂　巫　—　爱　耍　　１斯托克斯光　｝反斯托克斯光　＼一　同步　皇丝型墨Ｊ　Ｉ　皇笪型　Ｉ　、　脉冲　发生　Ｊ　Ｊ　器　三　圆　Ｊ　Ｊ　叫．查堕鍪塑墨茎　待测区域　计算机　图１　系统框图　Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｄｉａｇｒａｍ　２温度传感实验　按照图１正确连接整个系统后，在光纤６００　ｍ　和１　０００　ｍ处绕制５０　ｍ光纤环，分别加热至７０℃　和８０℃并保持温度恒定，原始ＯＴＤＲ信号曲线和　温度解调曲线如图２，３所示。符合实际预设温度　值，经反复实验，系统工作稳定，测温准确，可　∞　如　们　如　０　用于实际温度测量。　＼　＼　＼、　、～　＼、～　—］　＼　＼　ｆ　１、＼　、～　—＼　＼、　图２原始ＯＴＤＲ信号曲线　Ｆｉｇ．２　Ｏｒｉｇｉｎａｌ　ＯＴＤＲ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｕｒｖｅ　１００　９。８０　７。芝　篓；　２０　－　１：　０　２００　４００　６００　８００　１　０００　１　２００　１　４００　１　６００　１　８００　２　０００　距离，ｍ　图３温度解调曲线　Ｆｉｇ．３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　电力科学与工程　２０１０矩　道、输油管道的温度和故障点检测；地热电站和　３分布式光纤测温在电力系统中的应用　户内封闭式变电站的设备温度监测等。　４工程应用　３．１　电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度　监测　某钢铁企业有２条高压电缆，长度约　可以应用在发电厂、变电站的电缆夹层、电　１　０００　ｍ，铺设在电缆沟槽内，因负荷较大，该电　缆沟道、大型电缆隧道的温度监测。对电力电缆　缆温度较高。为了避免温度过高而造成电缆尤其　的监护，可以将测温光纤贴在电缆的表面，在取　是接头处的短路、爆炸等事故发生，目前已采用　得了电缆表面数据后，将电缆的负荷电流同时描　分布式测温装置对其进行测量。把特制的传感光　成一组相关曲线，并从电流值推算出芯线导体的　缆敷设在待测电缆上，让两者紧密接触，以准确　温度系数，从表面温度变化与导体温度变化之差　获得待测电缆上各点的温度。　（相同时刻作比较），便可以求出表面温度与运行　安全运行　’　。　图４为某时刻电缆温度分布曲线，完整显示　负荷电流的相关关系，并以此来支持供电系统的　了１　０００　ｍ电缆沿途温度分布情况。从图４中可以　看到，电缆两端处于室内，温度较低；中间有若　干个低谷，因为其处于路面以下；其余部分处于　电缆槽沟内，由于光照，温度较高；电缆接头处　图５为某接头在一段时间内的温度变化曲线，　６０　３．２高压配电装置内易发热部位的监测　开关柜内的电缆接头、１０　ｋＶ，３５　ｋＶ高压开　关柜动静触头及电气设备的连接头，是易出故障　温度也较高。　的薄弱环节，原因是该部位接触不良，接触电阻　较大，在大电流情况下热功率很大，导致接头发　热严重，加剧接触面氧化，使得接触电阻进一步　增大，形成恶性循环，造成严重故障，破坏供电　的安全。而采用光纤测温，则可以将光纤缠绕在　接头上，实时监测其温度，在演变成事故前，及　早发现并采取处理措施。　３．３发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警　系统　；　距离／ｍ　图４电缆温度曲线图　Ｆｉｇ．４　Ｃａｂｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｕｒｖｅ　光纤测温系统可以实时监测温度，并自动将　所测数据存储，故可以做到温度变化的差动监测，　更可以提前做出过热预报。本系统还可以与火灾　报警系统联动使用，在达到设定的报警条件时，　启动消防系统。　３．４　电气设备的温度监测和检修　电气设备的检修是计划检修，工程量大，花　费的人力、物力、财力很高，故障率也很高。而　星量２　＝　Ｖ　－莹２　分布式光纤测温系统能提供大量科学的数据，使　检修部门能有针对性地对电气设备进行状态检修，　节约大量的检修费用和管理费用，降低检修事故　蓉　蓉　蓉　蓉　趸　趸　吾　蚤　善　趸　茗　时刻　姜毒善童　ｇ聋　图５接头处温度变化曲线图　Ｆｉｇ．５　Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｕｒｖｅ　率，提高了供电可靠性。　３．５其他　从图中可以看到，接头温度受环境以及负荷　可以应用的场合还包括：各种大、中型发电　的影响。通过温度曲线图，可以清楚地了解整条　机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护　电缆在各个时刻的温度分布情况，在事故发生前　　以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管　采取必要措施，从而保证电力系统安全运行。第３期　孙国善，等拉曼光纤测温原理及在电力系统中的应用　２９　Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｒａｍａｎ　ｔｙｐｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍ—　５结束语　ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ—　ｉｃｓ・Ｌａｓｅｒ，２００１，１２（６）：５９６—６００．　连续分布式光纤测温系统是目前测温领域一　［４］林玉兰，陈永泰．拉曼散射分布式光纤温度传感器的设　种高新技术产品，可对电力系统中的多种设备进　计［Ｊ］．光电子技术与信息，２００２，１５（２）：３３—３６．　Ｌｉｎ　Ｙｕｌａｎ，Ｃｈｅｎ　Ｙｏｎｇｔａｉ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｒａｍａｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　行实时温度监测，准确地识别设备中出现的温度　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｏｐｔｏｅ—　过热点，使工作人员能及时了解设备运行情况，　ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２００２，１５（２）：　消除故障隐患，防止恶性事故发生。　３３—３６．　［５］史晓锋，李铮，蔡志权．分布式光纤测温系统及其测　参考文献　温精度分析［Ｊ］．测控技术，２００２，２１（１）：　９—１２．　［１］何明科，张佩宗，李永丽．分布式光纤测温技术在电　Ｓｈｉ　Ｘｉａｏｆｅｎｇ，Ｌｉ　Ｚｈｅｎｇ，Ｃａｉ　Ｚｈｉｑｕａｎ．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｓ—　力设备过热监测中的应用［Ｊ］．电力设备，２００７，８　ｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａ・　（１０）：３０—３２．　ｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇ，　Ｈｅ　Ｍｉｎｇｋｅ，Ｚｈａｎｇ　Ｐｅｉｚｏｎｇ，Ｌｉ　Ｙｏｎｇｌｉ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　２００２，２１（１）：９—１２．　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｅ—　［６］李伟良，张金成．光纤测温系统在电力系统的应用　ｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，２００７，　［Ｊ］．青海电力，２００２，（４）：２９—３２．　８（１０）：３０—３２．　Ｌｉ　Ｗｅｉｌｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｎｃｈｅｎｇ．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　［２］翟延忠，赵玉明，许舒荣，等．分布式光纤测温系统　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００７，（９）：３６—３８．　［Ｊ］．Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ，２００２，（４）：２９—３２．　Ｚｈａｉ　Ｙａｎｚｈｏｎｇ，Ｚｈａｏ　Ｙｕｍｉｎｇ，Ｘｕ　Ｓｈｕｒｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｄｉｓ—　［７］李秀琦，侯思祖，苏贵波．分布式光纤测温系统在电　ｔｒｉｂｕｔｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　力系统中的应用［Ｊ］．电力科学与工程，２００８，２４　［Ｊ］．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ，２００７，　（９）：　（８）：３７—４０．　３６—３８．　Ｌｉ　Ｘｉｕｑｉ，Ｈｏｕ　Ｓｉｚｕ，Ｓｕ　Ｇｕｉｂｏ．Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　［３］张在宣，王剑锋，余向东，等．Ｒａｍａｎ散射型分布式　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｒａｍａｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ａｐ—　光纤温度测量方法的研究［Ｊ］．光电子激光，２００１，　ｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｌ２（６）：５９６—６００．　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２００８，２４（８）：３７—４０．　Ｚｈａｎｇ　Ｚａｉｘｕａｎ，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎｆｅｎｇ，Ｙｕ　Ｘｉａｎｇｄｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．　Ｒａｍａｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｕｎ　Ｇｕｏｓｈａｎ，Ｈｏｕ　Ｓｉｚｕ，Ｃｈｅｎ　Ｃｈａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎ￣ｎｅｅｎｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｒｓｔ—　ｌｙ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｒａｍａｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒ—　ａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｅｘｐｅｒ／ｎｍｎｔ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｔ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ａｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒａｍａｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ；ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ