拉曼測溫系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜監(jiān)測中的應(yīng)用研究

李 歡，李永倩，王 虎，何青爾

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 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[1]。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。高壓開關(guān)柜是輸配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，承擔著開斷和關(guān)合電力線路、線路故障保護等重要任務(wù)，其安全可靠的運行對于確保電力生產(chǎn)安全至關(guān)重要。

高壓開關(guān)柜在長期運行的過程中，柜體內(nèi)斷路器的觸頭、母線排連接處和電纜接頭[2]等部位，因氧化、松動等原因會引起接觸不良和局部過熱。在大電流情況下，相應(yīng)部位熱功率很大，結(jié)果是接頭發(fā)熱嚴重，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻增大，并進一步導(dǎo)致溫度上升，形成惡性循環(huán)，發(fā)展到一定階段后則會造成嚴重的事故，破壞供電的安全性。

傳統(tǒng)測量高壓開關(guān)柜觸點溫度方法采用熱電偶、熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度敏感元件，但這些元件都需要金屬導(dǎo)線進行信號傳輸，不能保證在開關(guān)柜內(nèi)可靠絕緣，從而無法在線測量柜內(nèi)高電位接觸點的運行溫度。紅外成像測溫是一種常用的非接觸式測量方法，但由于開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件互相遮擋較多，通過紅外譜間接獲取溫度數(shù)據(jù)的準確性不能滿足要求，且紅外熱像儀成本較高，不利于推廣使用[3]。特別是由于電氣設(shè)備附近一般有較強的電磁場，對傳感信號的檢測及傳輸都有較大的干擾。因此，普通電子類傳感器不適合于電氣設(shè)備的在線溫度監(jiān)測?；诶⑸涞姆植际焦饫w測溫系統(tǒng)不但可實現(xiàn)多點、在線分布式測量，而且由于采用石英光纖作為傳感元件，采用光信號獲取和傳輸溫度信息，不易受高壓環(huán)境下強電磁場干擾，靈敏度高、重量輕、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，具有很高的安全可靠性。另外，光纖本身絕緣、不導(dǎo)電，能充分保障操作人員的人身安全。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開關(guān)柜內(nèi)靜觸頭、母線、接點上，向低電位側(cè)傳輸溫度信號，實現(xiàn)開關(guān)柜運行溫度的在線監(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)在高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測中具有獨特優(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，兩種散射的Stokes分量和Anti-Stokes分量對稱位于入射光譜的兩側(cè)，如圖1所示。

圖1 光纖中的光散射頻譜分布Fig.1 Spectrum distribution of light scattering in the fiber

在三種散射中，Rayleigh散射強度最強，約比入射光低3～5個數(shù)量級;Brillouin散射強度比Rayleigh散射低2～3個數(shù)量級;Raman散射強度約比Brillouin散射低一個數(shù)量級[4]。一般認為，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與Brillouin散射光強的溫度系數(shù)分別為0.8%/℃[5]和0.36%/℃[6]，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確度，因此當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。入射光釋放一個高頻聲子后形成的光分量稱為Stokes光，入射光吸收一個高頻聲子后形成的光分量稱為Anti-Stokes光。Stokes光的頻率為vs=v-Δv，Anti-Stokes光的頻率為

式中:v為入射光頻率;Δv為拉曼頻移。

拉曼散射中Stokes光和Anti-Stokes光的強度與溫度的關(guān)系分別為

式中:Is和IA分別為 Stokes和 Anti-Stokes散射光強;λs和λas分別為Stokes光和Anti-Stokes光的波長;h為普朗克常量;C為真空中的光速;k是玻耳茲曼 (Boltzmann)常數(shù);T為絕對溫度;Δγ=Δv/C為拉曼頻移波數(shù)。

由式 (1)、 (2)可見，Stokes和Anti-Stokes散射光強服從Boltzmann分布，由于處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠大于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)，所以Anti-Stokes光的強度遠小于Stokes光的強度。由(1)、(2)兩式可以推導(dǎo)出自發(fā)拉曼散射中Anti-Stokes光與Stokes光強度之比為[7]

式中:vi是光纖材料分子的振動頻率。從 (3)式可以看出，一旦激光源確定，v為常數(shù)，由于分子振動的頻率νi決定于光纖材料，所以根據(jù) (3)式可以唯一地確定溫度T。

1.2 光時域反射測量原理

當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2Z

式中:Z為散射點距光源的距離;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是散射點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，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。當后向散射為光纖的拉曼散射時即可實現(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，考慮到Raman頻移較大，當入射光波長為1550 nm時約為100 nm[5]。通常采用雙通道、雙波長對Stokes光和Anti-Stokes光分別進行采集，利用兩者強度的比值進行溫度信號解調(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 拉曼分布式測溫系統(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)采集卡和計算機組成[8]，光源使用1 550 nm 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。

圖2 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)Fig.2 Distributed fiber temperature measurement system based on Raman

在圖2所示系統(tǒng)中，計算機控制同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率和寬度的電脈沖。此脈沖一方面驅(qū)動激光器，使之產(chǎn)生一系列具有一定寬度的大功率光脈沖;同時向高速數(shù)據(jù)采集卡提供同步脈沖，使數(shù)據(jù)采集卡進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。光脈沖經(jīng)過波分復(fù)用器的一個端口進入傳感光纖，在光纖各點產(chǎn)生后向散射光，經(jīng)波分復(fù)用器到達檢測端。波分復(fù)用器通過薄膜干涉濾光片從后向散射光中濾出Stokes光和Anti-Stokes光，分別送入APD和放大器中進行光電轉(zhuǎn)換和放大，然后由數(shù)據(jù)采集卡進行高速數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過進一步的信號處理提高信噪比，用于溫度的計算，從而實現(xiàn)溫度測量的功能。

3 高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測應(yīng)用探討

在電力系統(tǒng)變電站內(nèi)，通常是由多個高壓開關(guān)柜連接不同路由的輸電線路。高壓開關(guān)柜主要由動、靜觸頭、母線、電流互感器、隔離開關(guān)等構(gòu)成，承擔著輸電線路的開斷和關(guān)合。為了對開關(guān)柜的運行溫度進行在線監(jiān)測，可將整條傳感光纖以合適的方式串接在高壓開關(guān)柜內(nèi)相應(yīng)的測溫點處。例如，把開關(guān)柜內(nèi)靜觸頭及母排作為測溫點，用光纖把三相母排及靜觸頭串接在一起監(jiān)測其溫度，由于光纖纖細，開關(guān)柜內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于拉曼散射只對溫度敏感，不用考慮溫度、應(yīng)變交叉敏感性的問題，但是要考慮的是在安裝光纖時，應(yīng)防止因應(yīng)力過大而導(dǎo)致光纖斷裂，影響系統(tǒng)的正常測量。文獻[9]中分析了光纖溫度傳感器能夠滿足觸頭溫度監(jiān)測的要求，也分析了光纖的電磁特性能夠滿足高壓開關(guān)柜內(nèi)磁場的應(yīng)用要求，因此基于光纖拉曼傳感系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測具有可行性?；诶鼫y溫系統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示[10]。圖中A，B，C表示三相輸電線路。在圖3中，把靜觸頭和母排作為溫度監(jiān)測點，從開關(guān)柜引出的光纖連接到拉曼測溫系統(tǒng)上，開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測點的溫度信息以曲線的方式顯示在測溫系統(tǒng)的屏幕上，通過拉曼光纖溫度測量系統(tǒng)得到傳感光纖溫度分布情況，從而獲取變電站內(nèi)高壓開關(guān)柜測溫點的溫度信息。

在基于拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)中，根據(jù)開關(guān)柜靜觸點及母排的溫度變化范圍，可以采用普通通信光纖或抗高溫光纖作為傳感光纖，將整條光纖緊密貼附或纏繞在測溫點處并用絕緣扎帶及導(dǎo)熱膠將其固定，纏繞光纖最小彎曲半徑應(yīng)參照具體光纖參數(shù)，避免光纖損耗過大，保證光纖不與其他部位接觸，防止光纖損傷。

圖3 基于拉曼測溫系統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 High voltage-switchgear monitoring system based on Raman temperature measurement system

拉曼溫度傳感器的引出光纖由石英光纖構(gòu)成，外部封裝上低煙無鹵、阻燃型的熱塑材料，二者都具有良好的耐溫耐熱和絕緣耐壓特性，而且護層不落灰，具有良好的抗爬特性。光纖本身絕緣且不帶有任何金屬結(jié)構(gòu)，安裝到高壓開關(guān)柜內(nèi)后不會降低開關(guān)柜自身的絕緣安全等級，不會引入安全隱患。若要同時監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)其他部位溫度，只需把光纖串接在需要測溫的位置即可。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，待測變電站開關(guān)柜相應(yīng)增多，因此需要構(gòu)建覆蓋一定區(qū)域的變電站高壓開關(guān)柜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。對于這種監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由于通信站點與變電站較多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在每個變電站需要放置一臺拉曼開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并利用電力通信網(wǎng)將位于不同變電站的監(jiān)測系統(tǒng)連接在一起，構(gòu)成具有一定規(guī)模的變電站開關(guān)柜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)?；诶鼫y溫系統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

監(jiān)控中心位于電力局中心機房，是系統(tǒng)的核心組成部分，主要負責對監(jiān)測現(xiàn)場的管理和維護。在圖4的高壓開關(guān)柜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，利用電力通信網(wǎng)把各變電站監(jiān)測系統(tǒng)的信息上傳到監(jiān)控中心的服務(wù)器集中處理，同時把監(jiān)控中心的測試指令下達到各變電站的監(jiān)測系統(tǒng)，進行高壓開關(guān)柜測溫工作，并接收來自不同監(jiān)測站的測試返回信號，將所測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過電力通信網(wǎng)傳入監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，進行高壓開關(guān)柜溫度分布的分析。最后將所得到的開關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)以圖形的形式顯示在監(jiān)視器上，實現(xiàn)高壓開關(guān)柜溫度的在線監(jiān)測和故障的預(yù)警。

圖4 基于拉曼測溫系統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)Fig.4 High voltage-switchgear monitoring network based on Raman temperature measurement system

基于拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)的變電站高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以有效地解決用普通電子類傳感器、紅外成像儀進行高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測存在的問題，并具有歷史數(shù)據(jù)查詢和超閾值報警等功能。該網(wǎng)絡(luò)測量精度高，定位準確，可實時、在線監(jiān)測處于不同變電站的不同開關(guān)柜易發(fā)熱點的溫度，并對故障隱患進行預(yù)警，以便在演變成事故前盡早采取措施處理[10]。網(wǎng)絡(luò)建成后，可以實現(xiàn)帶電設(shè)備過熱在線監(jiān)測、信息共享，不僅節(jié)省大量的人力和物力，而且為開關(guān)柜預(yù)防性檢修提供參考依據(jù)，對安全生產(chǎn)提供有力保障。若供電公司引入此網(wǎng)絡(luò)，可以使供電公司和變電站工作人員準確掌握開關(guān)柜的運行狀態(tài)，減少人員巡檢的次數(shù)，提高故障監(jiān)測水平，減小勞動強度，提高工作效率。

4 結(jié)論

拉曼分布式光纖溫度傳感器以其獨特的優(yōu)點在石油、化工、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文分析了電子類感溫元件在高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測中存在的問題及拉曼測溫系統(tǒng)的優(yōu)勢，介紹了拉曼分布式測溫原理和系統(tǒng)的組成。探討了拉曼測溫系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜監(jiān)測中的應(yīng)用問題，設(shè)計了基于電力通信網(wǎng)和拉曼監(jiān)測系統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測網(wǎng)的組網(wǎng)方案。拉曼分布式測溫系統(tǒng)可對高壓開關(guān)柜進行連續(xù)實時在線溫度監(jiān)測，準確地測量出被測目標的溫度分布，為開關(guān)柜預(yù)防性檢修提供參考依據(jù)，對過熱事故隱患及時報警、準確定位，對提高高壓開關(guān)柜運行乃至電力系統(tǒng)運行可靠性具有重要作用。

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