分布式光纤测温系统原理

分布式光纤测温系统原理

分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射(OTDR)原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。

分布式光纤测温

一、引言

随着我国经济的发展，电力系统正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向发展，一旦发生事故便会对国民经济造成巨大损失。如何对正在运行的电力设备进行在线监测并进行安全预测和温度变化趋势分析?如何通过实时数据对设备质量、运行环境、运行方式、设备老化、负荷不平衡等进行科学分析?这些都是电力系统中迫切需要解决的问题。传统的红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、热电阻

式测温系统等只能对电力系统的局部位置进行测温，无法为安全、经济运行、高效检修提供科学依据。而分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测量，实现了运行设备的实时在线监测，有效地解决了长期以来现场出现的高温、燃烧、爆炸、火灾等事故应急不备的问题。在电力系统中，这种光纤测温技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良引起的发热部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

二、分布式光纤测温的基本原理

1. 分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布

里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射(OTDR)原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。

(一)光时域反射(OTDR)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2L，其中v为光在光纤中的传播速度、C为真空中的光速，n为光纤折射率。在测得时刻t时，就可求得距光源L处的距离。

(二)光纤的后向拉曼散射温度效应

当一个激光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播。由于光脉冲与光纤内部分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反(亦可称为后向)。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点光纤所处的环境温度)越高，反射光的强度也越大。利用这个现象，若能测出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。

如用公式来表达：当激光脉冲在光纤中传播时与光纤分子相互作用，会发生瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源波长长的光，称为斯托克斯光;如果一部分热振动转换为光能，

那么将发出一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯光。根据拉曼散射理论，在自发拉曼散射条件下，两束反射光的光强与温度有关，它们的比值R(T)为：

(1)其中，和分别是斯托克斯光强和反斯托克斯光强，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。从(1)式中可以看出，R(T)仅与温度T有关。因此，我们可以借助反斯托克斯与斯托克斯光强之比来实现温度的测量。

三、分布式光纤测温系统的传感过程

如图1所示，分布式光纤测温系统的传感过程为：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，另一方面向高速数据采集卡提供同步脉冲，进入数据采集状态。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，返回到波分复用器中。后向散射光通过波分复用器中的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，并分别进入到光电检测器(APD)和放大器中进行光电转换和放大，将信号放大到数据采集卡能够采集的范围上。最后由数据采集卡进行存储和处理，用于温度的计算。

四、分布式光纤测温系统在电力系统中的应用

(一)电力电缆的温度监测

在电力系统中，电缆线路起到传输高压电能的作用。电缆常常会由于长期运行而绝缘老化，会由于所处外部环境恶劣及内部高负荷电流而引起局部高温甚至火灾。因此，有必要对电缆进行实时、在线监测，及时地发现故障，将事故消除在萌芽状态。分布式光纤测温系统可以通过对电力电缆的运行状态进行在线监测，实时掌握整条线路的运行状态，有效监测电缆在不同负载下的发热状态，提高对电缆的管理水平;可以对电缆沟内的火情进行监测与报警，识别电力电缆的局部过热点，提前发现电缆故障并预警，预防事故的发生;可以优化输配电的资本，根据温度可以确定电缆的负荷变化，合理地配置负荷，扩大现有电缆的容量，增加电缆的工作寿命;可以发现电缆运行过程中的外力破坏。

(二)变电站的温度监测

分布式光纤测温系统因其自身独特的优点，被广泛应用于变电站的温度监测中。它可以实现对主设备的温度监测，通常采用带有外护套的光纤电缆作为主变压器室火情监视报警系统，采用热塑料外护套的光纤电缆进行“零距离”实时监测变压器的套管、GIS穿墙管及导线连接处的温度。它可以对开关柜内易发热部位实时进行监测，将其同开关柜体的通风系统配合使用，可以使柜内的温度始终保持在允许的范围内;将光纤缠绕在柜体内电缆接头上、断路器小车的一次插头隔弧罩上或静触头热缩套上，可以实时监测其温度，在演变成事故之前，及早发现并采取措施。

(三)高压配电装置的温度监测

开关柜内的电缆接头，10KV、35KV高压开关柜中动静触头及电气设备的连接头由于长期运行，可靠性和接触性会变差，是易出故障的薄弱环节。其原因主要是这些部位接触不良、接触电阻较大，在大电流情况下热功率很大，从而造成过热，加剧接触面氧化，使得接触电阻进一步增大，形成恶性循环，发展到一定程度，便会造成严重故障，破坏供电的安全可靠。分布式光纤测温系统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。对于发电机绕组、变压器等体积比较大的重要部件，可将光纤缠绕在其表面，增加了测量该区域的光纤长度，提高了测量的准确性，并在温度曲线中能快速地找到高温故障点。

五、结语

分布式光纤测温系统集光纤传感、光纤传输、光纤通信、光电控制及计算机等技术于一体，具有本质安全、长期可靠、不受电磁干扰、测温精度高、实时在线等优点，实现了电力系统运行设备的多点、实时、在线监测。该系统已在国内外电力系统中广泛应用并得到认可，进一步完善该系统的稳定性和可靠性将使其在电力系统中的应用前景更加广阔。