王永慶

摘要：介紹了分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)原理及系統(tǒng)的組成，分析了電子類傳感器在電纜溫度在線監(jiān)測中存在的問題，闡明了分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)在電纜測溫在線監(jiān)測中的優(yōu)勢，總結(jié)了測溫系統(tǒng)在使用中的情況。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器；分布式測量；拉曼散射；溫度；電纜溫度監(jiān)測、宜昌溫設(shè)備使用情況報告

引言

在電力系統(tǒng)中，許多電氣事故是由于電力設(shè)備或線纜連接處過熱而發(fā)生的。固定螺絲松動、大氣腐蝕及氧化等，會造成連接處接觸不良，從而使連接處溫度升高，出現(xiàn)局部熔化或產(chǎn)生電火花和電弧放電，殃及周圍絕緣材料，最終造成電氣設(shè)備或線纜的損壞，甚至對人身的安全造成危害。因此，對電力設(shè)備和線纜連接處進(jìn)行溫度監(jiān)測及過熱報警是避免重大事故的有效手段，也是電力系統(tǒng)迫切需要解決的問題。利用光纖的這種絕緣、穩(wěn)定且傳輸信號不受電磁場影響的特性，可以把溫度傳感光纖直接安裝在電纜及接點(diǎn)上，向低電位側(cè)傳輸溫度信號，實(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)行溫度的在線監(jiān)測。利用拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)連續(xù)地采集信號，并根據(jù)現(xiàn)場情況科學(xué)地設(shè)定報警閾值，可做到早期預(yù)警，防患于未然。因此，拉曼分布式測溫系統(tǒng)在電纜溫度在線監(jiān)測中具有獨(dú)特優(yōu)勢。

1 拉曼分布式光纖測溫原理

1.1 拉曼散射的溫度敏感特性

當(dāng)光在光纖中傳輸時，光與光纖材料相互作用發(fā)生三種形式的散射：瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射和布里淵（Brillouin）散射。Rayleigh 散射頻率與入射光相同；Brillouin散射和Raman 散射相對入射光產(chǎn)生一定頻移，而且都包含斯托克斯（Stokes）和反斯托克斯（Anti-Stokes）兩個分量，兩種Stokes分量和Anti- Stokes分量對稱位于入射光譜的兩側(cè)，在三種散射中，Rayleigh散射強(qiáng)度最強(qiáng)，約比入射光低3～5個數(shù)量級；Brillouin散射強(qiáng)度比Rayleigh散射低2～3個數(shù)量級；Raman散射強(qiáng)度約比Brillouin散射低一個數(shù)量級。一般認(rèn)為，瑞利散射對溫度不敏感；拉曼散射和布里淵散射都對溫度敏感，且Raman反斯托克斯散射光強(qiáng)與Brillouin 散射光強(qiáng)的溫度系數(shù)分別為0.8%/℃和0.36%/℃，所以拉曼散射和布里淵散射都可以用來測量溫度。但是，由于布里淵散射對應(yīng)力也是敏感的，外界應(yīng)力的變化會影響測量溫度的準(zhǔn)確度，因此當(dāng)只需要了解被測對象的溫度信息時，通常采用光纖的拉曼散射實(shí)現(xiàn)溫度的測量。拉曼散射效應(yīng)是指入射光與散射介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞，在相互作用時入射光可以釋放或吸收一個與散射介質(zhì)分子振動相關(guān)的高頻聲子，并產(chǎn)生Raman頻移。

1. 2 光時域反射測量原理

考慮到Raman頻移較大，當(dāng)入射光波當(dāng)光脈沖入射到光纖中時，光脈沖在其傳播的過程中連續(xù)產(chǎn)生散射光。后向散射光返回到光纖入射端所走過的路程為2Z2Z = V×t，V = C/n式中：Z為散射點(diǎn)距光源的距離；V為光脈沖在光纖中的傳播速度；t為從光脈沖進(jìn)入光纖到光纖始端接收到后向散射信號的時間；C為真空中的光速；n為光纖折射率。由此可知，光纖一旦確定，其折射率相應(yīng)確定，在測得時間t后可求得散射點(diǎn)距光源的距離Z，即定位距離。返回到光纖入射端的后向散射光強(qiáng)是散射點(diǎn)位置和返回時間的函數(shù)，因此，由光電檢測器檢測不同時刻返回光纖輸入端的后向散射光強(qiáng)，可以確定后向散射沿光纖的空間分布，從而獲取被測量沿光纖的分布信息。當(dāng)后向散射為光纖的拉曼散射時即可實(shí)現(xiàn)沿光纖溫度分布的測量。在設(shè)計拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)時，考長為1550nm時約為100nm。通常采用雙通道、雙波長Stokes光和Anti-Stokes光分別進(jìn)行采集，利用兩者強(qiáng)度的比值進(jìn)行溫度信號解調(diào)，由于Anti-Stokes光的溫度系數(shù)比Stokes 光大很多，因此將Anti-Stokes光作為計算溫度的主要依據(jù)，Stokes光作為參考光，用來消除光纖衰耗、接頭和彎曲損耗等的影響。

2.測溫系統(tǒng)組成

基于光時域反射原理和光纖后向拉曼散射溫度敏感效應(yīng)的測溫系統(tǒng)組成如圖2 所示。系統(tǒng)主要由光源、波分復(fù)用器、光電檢測器、放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)組成，光源使用1550nm ns級脈沖激光器，波分復(fù)用器由雙向耦合器及多光束干涉介質(zhì)薄膜濾光片組成，光電接收與放大組件包括雪崩光電二極管APD和高增益、寬帶、低噪聲放大器。

3.光纖傳感測溫系統(tǒng)在宜昌風(fēng)電的應(yīng)用

3.1.技術(shù)參數(shù)

3.1.1.主機(jī)的安裝

主機(jī)可安裝在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3.2光纖的鋪設(shè)

光纖沿電纜鋪設(shè)，綁扎在電纜上，每隔一米綁一個扎帶，確保光纖與電纜的接觸良好，以便準(zhǔn)確的感應(yīng)到電纜的溫度變化。在電纜接頭處采取加強(qiáng)監(jiān)測，預(yù)留一個十米長的光纖，繞成圓，然后綁扎在電纜上，

4.設(shè)備事故分析

4.1.電纜爆炸事故

2015年11月15日晚21點(diǎn)39分湖北宜昌百里荒變電站停電，經(jīng)檢查原因是由于電纜被擊穿導(dǎo)致的，而在電纜被擊穿的過程中電纜肯定會有溫度變化，及電纜表面溫度會有所上升。本套分布式感溫系統(tǒng)的主要作用就是檢測電纜表面溫度，但本套設(shè)備在電纜擊穿的過程中，并未在該點(diǎn)產(chǎn)生報警，對于這種現(xiàn)象，經(jīng)過檢查、分析、研究，總結(jié)出以下結(jié)論。

根據(jù)設(shè)備記錄，可以調(diào)出一天電纜被擊穿點(diǎn)的溫度變化曲線。

根據(jù)曲線可以判斷當(dāng)天上半夜溫度很明顯比下半夜的溫度的平均值較高，這主要是因?yàn)?，上半夜用電量比較大，導(dǎo)致電纜負(fù)荷較大，溫度會有所上升。并可以看出在午時電纜溫度也會有所上升，這主要是因?yàn)?，午時環(huán)境溫度比較高，其電纜溫度會有所上升。由此可以看出外景環(huán)境溫度的變化以及用電量的大小都會影響電纜溫度本身的變化。而本套分布式感溫系統(tǒng)能真實(shí)反映以上兩種情況的溫度變化，并做出采集，并且可以看出，該點(diǎn)在一天的溫度變化并沒有大的起伏，從而確認(rèn)本套系統(tǒng)設(shè)備能夠真實(shí)采集電纜溫度，反映電纜溫度變化。

4.2光纖斷裂檢測報警

當(dāng)系統(tǒng)識別到的光纖長度小于之前鋪設(shè)完成的光纖長度之時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警。2016年3月11日8：36分，系統(tǒng)檢測到2通道6000米處光纖斷裂；2016年3月18日15：01分檢測到1通道在2536米處斷裂。

經(jīng)宜昌風(fēng)電維護(hù)人員到現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)斷裂處均是由施工導(dǎo)致，外部人員所用挖掘機(jī)由電纜蓋板上方壓過，不僅壓斷蓋板，壓斷光纜，還對電纜造成一定安全隱患。

斷點(diǎn)位置與實(shí)際位置誤差分析：由于光纖在每個電纜接點(diǎn)處要多預(yù)留10米長度加強(qiáng)監(jiān)測，測溫主機(jī)里也有70米的預(yù)留，加上計算里程也會產(chǎn)生一定誤差，但總體來說光纖的長度要比實(shí)際里程上的長一些。誤差在10%左右，對實(shí)際巡檢提供有效的指導(dǎo)。

5、結(jié)論

光纖斷裂事故較好的反映了本測溫系統(tǒng)的靈敏度及實(shí)用性。隨著外界溫度的變化，測溫系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別到，當(dāng)光纖所處的環(huán)境溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的報警溫度時，能給出及時的預(yù)警作用。而從光纖斷裂這一事故中，體現(xiàn)了光纖傳感測溫系統(tǒng)的另一個作用：對電纜所處環(huán)境遭到破壞時，也能起到一定的預(yù)警作用，系統(tǒng)報警所提供的位置信息方便維護(hù)人員及時到達(dá)現(xiàn)場檢查，如施工等人為因素對電纜造成了損壞也能提供一個依據(jù)。在百里荒風(fēng)電場這樣總電纜鋪設(shè)長度接近40公里，且絕大部分電纜屬于地埋或溝道中，對維護(hù)人員的巡檢造成很大的不便，安裝一套光纖測溫設(shè)備能有效的起到過溫預(yù)警作用，由其在電纜接點(diǎn)處這樣的事故易發(fā)點(diǎn)，如發(fā)生瞬時性的爆炸損壞，測溫系統(tǒng)也能起到一個定位報警的作用，使維護(hù)人員能盡早查找到事故點(diǎn)修復(fù)，迅速恢復(fù)電力的生產(chǎn)，減少損失。

（作者單位：國家電投集團(tuán)湖北宜昌新能源有限公司）