分布式光纖測溫系統(tǒng)研究及其在變配電所中的應(yīng)用

柴書明

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350）

分布式光纖測溫系統(tǒng)研究及其在變配電所中的應(yīng)用

柴書明

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350）

針對鐵路變配電所電氣設(shè)備由于接續(xù)不良等原因造成的運(yùn)行溫度過高，引發(fā)事故隱患這一問題，歸納總結(jié)了目前電氣設(shè)備常用的測溫方法，分析了各種測溫方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對分布式光纖測溫的基本原理及其特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并介紹了現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例及其效果。

電氣設(shè)備；測溫；分布式；光纖

在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，高壓開關(guān)柜電氣接點(diǎn)過熱、高壓電纜特別是電纜中間頭過熱、變壓器過熱等是常見的事故隱患，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，會(huì)引發(fā)爆炸與火災(zāi)等惡性事故，嚴(yán)重影響電氣化鐵路正常的運(yùn)輸生產(chǎn)。因此，采用先進(jìn)可靠的技術(shù)，對高壓開關(guān)柜電氣接點(diǎn)、高壓電纜及中間頭等設(shè)備的溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和預(yù)警，及時(shí)掌握各被監(jiān)測對象的故障趨勢，進(jìn)行智能分析，準(zhǔn)確定位，對指導(dǎo)電氣設(shè)備檢修工作，減少非計(jì)劃停電，降低運(yùn)行成本，防止發(fā)生火災(zāi)等惡性事故，保障鐵路運(yùn)輸安全具有重要的意義。

1 常用的測溫方式

（1）測溫貼片：其機(jī)理各種各樣，但都是物體受熱后發(fā)生一系列化學(xué)和物理變化，由分子構(gòu)造的改動(dòng)，導(dǎo)致反射光的顏色發(fā)作轉(zhuǎn)變，例如晶型轉(zhuǎn)化、升華、掉水、氧化、分化惹起光散射的頻帶轉(zhuǎn)移。將測溫貼片貼于被測節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)被測點(diǎn)的表面溫度達(dá)到測溫貼片的標(biāo)定溫度時(shí)，測溫貼片的顏色將發(fā)生變化，從而指導(dǎo)值班員或巡檢人員進(jìn)行檢修。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是簡便易行，測溫成本比較低廉，缺點(diǎn)是無法判斷溫度變化的趨勢，測溫貼片長期暴露于露天場合，本身易于蒙上一層灰塵，靠巡視人員的視力不易觀察貼片顏色的變化，需定期擦拭或更換貼片。

（2）紅外測溫儀：紅外測溫儀的測溫原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)大小，可以確定物體的溫度。紅外測溫技術(shù)目前已發(fā)展到可對有熱變化表面進(jìn)行掃描測溫，確定其溫度分布圖像，這就是紅外熱像儀。測溫時(shí)由測溫人員手持測溫儀對準(zhǔn)被測點(diǎn)進(jìn)行測溫，直接讀取被測點(diǎn)溫度。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是測量范圍大，準(zhǔn)確度高，缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，且需大量人力進(jìn)行定期巡測，無法實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

（3）電氣節(jié)點(diǎn)溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)：其原理是在被測電氣節(jié)點(diǎn)上吸附粘貼等電位無線傳感檢測探頭，通過熱敏元件將實(shí)時(shí)溫度信號(hào)經(jīng)信號(hào)識(shí)別處理后，由射頻模塊發(fā)送到接收機(jī)站及監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)顯示電氣節(jié)點(diǎn)的溫度。優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測電氣節(jié)點(diǎn)的溫度及其變化，缺點(diǎn)是只能測量電氣節(jié)點(diǎn)的溫度，無法適應(yīng)需連續(xù)測量如電纜全長的溫度。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)

2.1 基本原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)是基于目前世界最先進(jìn)的分布式光纖傳感與控制技術(shù)研制開發(fā)的測溫預(yù)警系統(tǒng)。其工作原理是利用光在光導(dǎo)纖維中傳輸時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)喇曼（Raman）散射和光時(shí)域反射（OTDR）原理來獲取空間溫度分布信息的。

光纖呈圓柱形，它由SiO2玻璃纖維芯（纖芯）、玻璃包皮（包層）和外部保護(hù)層組成（見圖1）。

當(dāng)在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖時(shí)，激光在光纖中向前傳播的同時(shí)，自發(fā)產(chǎn)生喇曼散射光波，喇曼散射光波的強(qiáng)度受所在光纖散射點(diǎn)的溫度影響而有所改變，通過獲取沿光纖散射回來的背向喇曼光波，可以解調(diào)出光纖散射點(diǎn)的溫度變化。同時(shí)，根據(jù)光纖中光波的傳輸速度與探測時(shí)間的物理關(guān)系，可以對溫度信息點(diǎn)進(jìn)行定位（見圖2）。

分布式光纖測溫系統(tǒng)涉及的技術(shù)包括高頻脈沖激光技術(shù)、光纖喇曼光譜技術(shù)、光波分復(fù)用技術(shù)、光時(shí)域反射技術(shù)、高頻信號(hào)采集技術(shù)、微弱信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等。

由于背向喇曼散射光波的強(qiáng)度非常微弱，因此，需要采用先進(jìn)的高頻信號(hào)采集技術(shù)和微弱信號(hào)處理技術(shù)，經(jīng)過光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入信號(hào)處理器，解調(diào)出光纖各測溫點(diǎn)的溫度值；然后，將采集的溫度數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過組態(tài)軟件展示各測溫點(diǎn)的溫度值和變化狀態(tài)。當(dāng)某一被監(jiān)測點(diǎn)的溫度超過系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警預(yù)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置通知值班人員處理。另外，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享（見圖3）。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單直觀，該系統(tǒng)主要由溫度傳感光纖、測溫主機(jī)（分布式光纖測溫儀）、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)4大部分組成。根據(jù)需要，可以采用多臺(tái)測溫主機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，擴(kuò)大測溫范圍。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

分布式光纖測溫技術(shù)具有連續(xù)分布、本質(zhì)安全、測溫精確、耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。它與以電為基礎(chǔ)的溫度傳感技術(shù)有本質(zhì)的區(qū)別，也與以光柵作為溫度傳感器的測溫技術(shù)有很大的不同。

分布式光纖測溫技術(shù)的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下方面

（1）連續(xù)性

分布式光纖測溫系統(tǒng)是基于一條（或多條）幾公里長的光纖作為測溫媒質(zhì)的。整條光纖既是溫度傳感器（相當(dāng)于光纖上的每一點(diǎn)都是溫度傳感器），又是溫度信息的傳輸載體。因此，與用點(diǎn)式傳感器作為測溫元件的技術(shù)相比，其最大的技術(shù)特色是它能夠分布式測溫，即測得光纖敷設(shè)沿線任意一點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，可以靈活地測量點(diǎn)、線、面上的溫度分布。

（2）擴(kuò)展性

由于光纖的連續(xù)分布測溫特點(diǎn)，使得其非常容易擴(kuò)展監(jiān)測區(qū)域。與點(diǎn)式傳感器的測溫方式不同，它不會(huì)受到單通道最大布設(shè)探測器數(shù)量的限制。當(dāng)用戶希望在光纖敷設(shè)沿線或在開關(guān)柜里多增加一些監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，很容易實(shí)現(xiàn)。

（3）安全性

光纖本質(zhì)安全，良好的耐高壓絕緣性能、憎水性能，使得其能夠直接安裝在高壓帶電體上進(jìn)行接觸式測溫。另外，由于光信號(hào)不受任何強(qiáng)電磁場的干擾，保證了檢測和傳輸?shù)目焖?、靈敏、準(zhǔn)確。此系統(tǒng)在測溫現(xiàn)場無需其他電子設(shè)備，真正實(shí)現(xiàn)了無電檢測，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（4）易用性

分布式光纖測溫系統(tǒng)所使用的光纖，在非人為損壞情況下，使用壽命長達(dá)20年以上。既使因設(shè)備檢修造成了光纖損傷，更新的方式簡單，成本低廉，這是其他傳感器和傳感技術(shù)所無法相比的。另外，系統(tǒng)采用了特有的分時(shí)回路技術(shù)和隔離技術(shù)，可以保證光纖檢測線路上某一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，在電氣設(shè)備無法停電檢修的情況下，不影響其他被監(jiān)測設(shè)備的溫度采集。

（5）可靠性

分布式光纖測溫系統(tǒng)遵循行業(yè)、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。該系統(tǒng)已通過中國計(jì)量科學(xué)研究院的技術(shù)檢測，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際國內(nèi)先進(jìn)水平，所使用的絕緣光纖通過了中國電力科學(xué)院的高電壓檢測。目前，系統(tǒng)已應(yīng)用于電力、電氣化鐵路、石化、廣播電視等行業(yè)。

3 分布式光纖測溫系統(tǒng)在肅寧北變配電所的應(yīng)用

朔黃鐵路肅寧北變配電所是牽引變電所和10 k V配電所合建所，其中牽引供電饋線7條，10 k V饋線12條，是朔黃線非常重要的一個(gè)變配電所。隨著運(yùn)量的增長以及運(yùn)行時(shí)間的延長，設(shè)備老化發(fā)熱問題比較突出。為了加強(qiáng)對電氣節(jié)點(diǎn)的溫度監(jiān)測，2010年已安裝電氣節(jié)點(diǎn)溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，重點(diǎn)監(jiān)測各種電氣接續(xù)點(diǎn)的溫度。為使電纜設(shè)備也納入溫度監(jiān)測范圍，防止火災(zāi)等突發(fā)性故障，2012年安裝了分布式光纖測溫系統(tǒng)，提高了全所電氣設(shè)備的溫度監(jiān)測自動(dòng)化水平。自投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定，測溫效果良好。

肅寧北變配電所分布式光纖測溫系統(tǒng)由光纖測溫儀、工業(yè)控制機(jī)、系統(tǒng)監(jiān)控軟件、測溫光纖等組成。測溫儀、工控機(jī)安裝于變電所既有視頻監(jiān)測機(jī)柜內(nèi)，測溫光纜布設(shè)于室內(nèi)外電纜溝內(nèi)，將測溫光纖綁扎在被測電纜上，布設(shè)方式采用兩種，一種是大負(fù)荷重要電纜采用單獨(dú)監(jiān)測，一種是測溫光纖在電纜支架上做蛇行敷設(shè)，同時(shí)監(jiān)測多條電纜溫度。對于電纜頭需重點(diǎn)監(jiān)測，光纖在電纜中間頭的敷設(shè)方式見圖5。光纖敷設(shè)完畢后，還需對測溫區(qū)域進(jìn)行位置標(biāo)定，安裝監(jiān)控軟件，設(shè)定預(yù)警溫度。

4 結(jié) 論

（1）變電所電氣設(shè)備測溫有多種方式，各有所長，同時(shí)也都有其局限性，要根據(jù)實(shí)際情況選用不同的測溫方式。

（2）分布式光纖測溫系統(tǒng)在測溫連續(xù)性、可擴(kuò)展性、安全性、易用性、可靠性等方面具有比較突出的優(yōu)勢。

（3）肅寧北變配電所安裝的分布式光纖測溫系統(tǒng)與既有電氣節(jié)點(diǎn)測溫系統(tǒng)相結(jié)合，將電氣節(jié)點(diǎn)測溫和電纜測溫納入統(tǒng)一的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，提高了設(shè)備運(yùn)行溫度的監(jiān)測水平。

［1］ 匡紹龍，朱學(xué)斌.分布式光纖溫度傳感器原理及其在變電站溫度監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2004，24（9）：79-81.

［2］ 李 軍，卞 超，吳 珺.電力電纜光纖光柵測溫在線檢測系統(tǒng)［J］.江蘇電機(jī)工程，2005，24（1）：6-8.

［3］ 劉明光電氣化鐵道高電壓絕緣與試驗(yàn)技術(shù)［M］.成都，西南交通大學(xué)出版社，2001.

Research of Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System and its Application in Power Substation

CH AI Shuming
（Shuohuang Railway Development Limited Liability Company，Suning 062350 Hebei，China）

The operation temperature of the railway substation electrical equipments is too high due to the causes such as in bad place，which leads to potential accidents.This paper summarizes the common－used temperature measurement methods of the current electrical equipments，analyzes the advantages and disadvantages of different measurement methods，studies the basic principles and characteristics of the distributed optical fiber temperature measurement，and introduces the field application instance and effect.

electrical equipment；temperature measurement；distributed；optical fiber

U224.2＋3

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.30

1008－7842（2014）05－0110－03

1—）男，高級(jí)工程師（

2014－03－10）