李蘭云 河南科技學(xué)院

梁中偉 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司輝縣市供電公司

一、引言

隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了越來(lái)越多的新型傳感器，其中對(duì)于溫度的檢測(cè)一直是重要研究領(lǐng)域，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化流程中，溫度測(cè)量點(diǎn)一般要占全部測(cè)量點(diǎn)的一半左右。在電力系統(tǒng)中，現(xiàn)代傳感技術(shù)也發(fā)揮著必不可少的作用，例如母線(xiàn)的電流、電壓檢測(cè)，局部放電的在線(xiàn)檢測(cè)等，同樣，對(duì)于溫度的檢測(cè)也是必不可少的。

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在電力系統(tǒng)中，配電盤(pán)、變壓器、電纜、高壓開(kāi)關(guān)等電力設(shè)備的主要異常事故原因?yàn)椋汗駜?nèi)螺絲松脫接觸不良及連接頭接觸面氧化，導(dǎo)致局部電阻變大，在負(fù)載電流過(guò)大時(shí)溫升過(guò)高，造成銅排或器具燒毀，進(jìn)而導(dǎo)致短路甚至火災(zāi)。因此，采取有效措施監(jiān)測(cè)母線(xiàn)溫度，一直是電力系統(tǒng)需要解決的重要課題之一。

二、母線(xiàn)測(cè)溫方式分析

目前，溫度測(cè)量方法很多，一般分為兩類(lèi)：（1）接觸式測(cè)溫，如熱電偶、熱電阻、集成溫度傳感器等，這類(lèi)溫度傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格也比較低廉，但因母線(xiàn)處于高電位，儀器的安裝、供電等都難以解決；（2）非接觸式測(cè)溫，如紅外溫度傳感器、超聲波溫度傳感器等，但其測(cè)量精度較低，且價(jià)格昂貴，尤其在高壓開(kāi)關(guān)柜場(chǎng)合使用不便。

由于母線(xiàn)屬于高壓電氣設(shè)備，在對(duì)其進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)，一些常規(guī)的測(cè)溫方法很難得到應(yīng)用，下面對(duì)母線(xiàn)溫度檢測(cè)的常用方式進(jìn)行一些討論。

（一）早期測(cè)溫方式

1.采用色片，即貼感溫貼紙。色片的顏色可以隨溫度的變化而隨之發(fā)生變化，因此根據(jù)色片的顏色就可以來(lái)判讀溫度。但這種方法準(zhǔn)確度低，可靠性差，不能進(jìn)行定量測(cè)量，而且對(duì)于高壓母線(xiàn)觸點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在運(yùn)行時(shí)幾乎看不見(jiàn)色片的顏色。

2.采用紅外溫度檢測(cè)。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大，準(zhǔn)備度高，但缺點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格昂貴，并且無(wú)法檢測(cè)封閉在機(jī)柜內(nèi)的高壓母線(xiàn)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備和溫度在線(xiàn)檢測(cè)的一體化集成。

（二）光纖測(cè)溫

光纖傳感器自出現(xiàn)以來(lái)，以其不受電磁場(chǎng)干擾、高靈敏度、高精度、高速度等優(yōu)點(diǎn)，在電流、電壓等電量，以及溫度、壓力、流量等非電量參數(shù)的測(cè)量上，都發(fā)揮了不可替代的作用。將光纖傳感器用于電力電纜的溫度監(jiān)測(cè)，也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）光纜能夠抵御惡劣環(huán)境的影響，可以鋪設(shè)到其他溫度傳感器難以到達(dá)的區(qū)域，并且在危險(xiǎn)區(qū)域也能夠安全使用；（2）便于安裝和集成，在每個(gè)定義的分區(qū)內(nèi)有數(shù)千個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，可以在整個(gè)光纜長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)時(shí)測(cè)量；（3）電磁干擾免疫；（4）使用壽命長(zhǎng)，數(shù)十年免維護(hù)。

三、分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)利用傳感光纖進(jìn)行溫度檢測(cè)，是目前可以用于解決母線(xiàn)溫度檢測(cè)的一種有效方式。

（一）系統(tǒng)原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)DTS (Distribution Temperature Sensing)，分布式光纖測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)。

利用拉曼效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量，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)。當(dāng)激光脈沖入射到光纖里，在發(fā)送端得到背向散射光并進(jìn)行分析，拉曼散射光的強(qiáng)度與溫度成正比，因此，測(cè)量散射光強(qiáng)度即可得到沿光纖分布的溫度，溫度點(diǎn)的定位可以通過(guò)測(cè)量背向散射光返回起始端的時(shí)間來(lái)確定，如圖1所示。

圖1 DTS測(cè)量原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的傳感過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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。

（二）性能

1.實(shí)時(shí)性：可對(duì)被測(cè)物件溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到早期預(yù)警功能。

2.分布式：分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(DTS)為全分布式測(cè)溫，以光纖作為感溫元件外無(wú)其他任何偵測(cè)元件，偵測(cè)距離達(dá)數(shù)km，能實(shí)現(xiàn)被測(cè)物件全長(zhǎng)度范圍內(nèi)連續(xù)性的線(xiàn)形監(jiān)測(cè)方式，沒(méi)有探測(cè)盲點(diǎn)。

3.先進(jìn)性：DTS光纜分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力纜線(xiàn)/設(shè)施安全、火災(zāi)監(jiān)測(cè)和管道泄漏監(jiān)測(cè)，在技術(shù)上已非常成熟完善；通過(guò)采用不同的外護(hù)套材料和不同的光纜結(jié)構(gòu)，探測(cè)光纜可以適應(yīng)各種環(huán)境。

4.準(zhǔn)確性：DTS系統(tǒng)溫度分辨率（標(biāo)準(zhǔn)差）可以達(dá)到1℃，定位精度達(dá)0.5M以下。

5.靈活性：DTS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)是連續(xù)的溫度測(cè)量，可設(shè)置多種報(bào)警模式，如定溫報(bào)警，溫升報(bào)警，分區(qū)極大溫度報(bào)警等；可按照用戶(hù)的要求進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的報(bào)警條件相互獨(dú)立。

6.擴(kuò)展性：DTS系統(tǒng)可以連接多路光纖進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)際需要，有1、2、4、8、12、24路可以選擇。

7.安全性：光纖本身是由石英玻璃（無(wú)定形固體結(jié)構(gòu)二氧化硅SiO2化合物）組成的，完全的電絕緣；探測(cè)光纜本質(zhì)安全，采用光信號(hào)，不會(huì)與動(dòng)力電纜之間產(chǎn)生相互電磁干擾；雷電經(jīng)常破壞大量的電測(cè)傳感器。光纖傳感器由于完全的電絕緣，可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。

8.免維護(hù)性：光纖的材料一般皆為石英玻璃，其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長(zhǎng)的特性，探測(cè)光纜的使用壽命在20年以上，光纜能夠被安裝在惡劣環(huán)境條件下，能夠抵御灰塵、潮濕、腐蝕性氣體、高壓突波沖擊及電磁輻射等外界干擾。

（三）母線(xiàn)溫度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)證明母線(xiàn)槽在加載大的且變化的電流負(fù)載時(shí)將會(huì)導(dǎo)致熱量快速積聚，大量的熱會(huì)通過(guò)熱輻射的形式散發(fā)，而不是將電能傳遞給機(jī)器或者服務(wù)器。除了母線(xiàn)槽本身，接頭時(shí)不僅會(huì)造成電力浪費(fèi)，還存在變成熱點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，是導(dǎo)致火災(zāi)事故出現(xiàn)的主要因素。溫度測(cè)量是發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)和低效根源的關(guān)鍵，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電母線(xiàn)溫度，實(shí)現(xiàn)早期的火災(zāi)探測(cè)，可以有效的提高電力系統(tǒng)的安全性，大幅度降低損耗。

例如，韓國(guó)LG公司為超凈室的母線(xiàn)槽配備了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)了母線(xiàn)槽的溫度異常情況，通過(guò)仔細(xì)檢查該熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了異常原因：母線(xiàn)槽底部的接線(xiàn)箱蓋沒(méi)有完全固定，出現(xiàn)了一個(gè)5cm的間隙，導(dǎo)致12到18個(gè)月的絕緣惡化，以至溫度持續(xù)緩慢的上升。如果該過(guò)熱點(diǎn)沒(méi)有被分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)探測(cè)到（或者更糟，工人剛好接觸到該問(wèn)題點(diǎn)），那么極有可能發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸，將對(duì)整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)造成極大破壞，甚至人員傷亡，DTS系統(tǒng)有效的阻止了這場(chǎng)重大事故。

某現(xiàn)代玻璃制造工廠企業(yè)是一家有著400年的玻璃制造和獨(dú)一無(wú)二香水容器生產(chǎn)歷史的家族企業(yè)，在玻璃的制造過(guò)程中，當(dāng)玻璃熔化時(shí)，溫度能達(dá)到1500℃。在車(chē)間安裝DTS系統(tǒng)，利用光纖作為傳感器，將光纖安裝在需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，并劃分為若干預(yù)定義的分區(qū)，并為每個(gè)分區(qū)設(shè)定合適的報(bào)警條件，使得整個(gè)安裝能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的要求?？傊絹?lái)越多的企業(yè)、工廠使用DTS系統(tǒng)，這充分說(shuō)明了該系統(tǒng)的有效性和廣泛應(yīng)用。

四、小結(jié)

分布式光纖測(cè)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，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(xiàn)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)已在國(guó)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。