拉曼光時域反射儀在多元電力設備中的應用探究＊

李萌，孫保陽，鐘鎮(zhèn)，2，秦瀚祥，蔣渭忠

（1.常州工學院光電工程學院，江蘇常州 213032；2.江蘇省光通信系統(tǒng)與網絡工程研究中心，江蘇南京 210093）

1 研究背景

在變電站中，變壓器、開關柜、電抗器、避雷器、互感器、電容器、斷路器等電氣設備都需要進行溫度的實時在線監(jiān)測[1]。這些設備在長期運行的過程中，由于施工安裝工藝和運行年限長的影響，會出現因老化或負載電流過大而使電力設備發(fā)生溫度異常升高的現象，容易產生安全隱患。為了讓變電站安全穩(wěn)定地運行，需要對變電站中的各種電氣設備進行溫度監(jiān)測，從而對電力設備的運行質量作出判斷，并做出相應的控制決策。

在傳統(tǒng)的電力設施測溫方法中，有2 種方法較為常見：一種是在電力設備上安裝無線的溫度測量傳感器，另一種則是通過紅外測溫儀進行非接觸式的溫度測量。前者安裝方便，自動化程度高，但是也存在很多問題。無線測溫裝置通常由感溫器件和匹配的電子電路構成，難以抵抗電氣設備中強磁場的影響，給傳感器的精確可靠測量帶來了巨大的運行風險。而電氣設備的溫度往往會超過電子器件的耐受程度，即使是軍品級的器件也難以承受實際發(fā)生的溫升。此外，它的測量范圍小，以點蓋面，容易漏測發(fā)熱部位。因此，無線測溫傳感器不是變電站中電氣設備測溫的理想選擇。對于紅外測溫裝置，它的造價高，不太適合在惡劣環(huán)境中使用，一般難以測量設備內部溫度。而對于一個變電站而言，要想實時在線監(jiān)測各個設備的溫度，大批量地使用紅外測溫裝置也是不現實的。

與傳統(tǒng)的測溫傳感器相比，近年比較流行的是基于光纖的測溫方法，其分為2 種，即點式光纖測溫裝置和全分布式的光纖測溫裝置。他們都是用光纖進行信號的傳輸，溫度的感知幾乎不受電磁場的影響，因此非常適合對電氣設備進行溫度監(jiān)測。點式的光纖測溫裝置主要有2 種，即在光纖端點匹配傳感頭和將光纖光柵刻入光纖。而這2 種方法都只能對電氣設備進行點式測量，無法進行全景測量；如果需要詳細地感知電氣設備的溫度信息，往往需要布置很多的節(jié)點，工程造價也會飆升。而分布式光纖測溫裝置利用背向散射光對光纖沿途的溫度進行測量，集溫度的感知和信息的傳輸于一體，可實現超長距離的實時監(jiān)測；一次測量過程就可以獲得整個光纖沿線的溫度分布，一條長達數千米的傳感光纖就相當于成千上萬的點式傳感器，平均下來單個測量點的溫度信息獲取的費用非常低；測量溫度范圍寬，具有很高的分辨率和精度；在具有強電磁干擾或易燃易爆以及其他傳感器無法接近的惡劣環(huán)境下，分布式光纖溫度傳感器具有無可比擬的優(yōu)點。

具體到分布式光纖測溫裝置，有基于布里淵散射和拉曼散射的2 種測溫方式。相對于前者對于溫度應變的交叉敏感、價格昂貴，后者要簡單便宜的多。總之，將拉曼光時域反射儀應用于電力設備的溫度測量，既可應對極端的惡劣環(huán)境，又具有輕便，安全、可靠、覆蓋范圍廣等多種優(yōu)點。

2 拉曼光時域反射儀的發(fā)展及其原理

2.1 拉曼光時域反射儀的發(fā)展歷史

關于拉曼光時域反射儀的發(fā)展歷史，國內的意見比較一致[2-4]。自從高錕博士預言可以利用光在玻璃介質的傳輸進行通信后，光纖制造技術和光纖通信技術迅速發(fā)展起來。為了檢測光纖通信網絡中光纖的損壞情況，人們嘗試了很多辦法。1977 年，BARNOSKⅠ等基于光纖中的背向瑞利散射光發(fā)明了光時域反射儀，簡稱“OTDR”，可以有效檢測光信號在光纖傳播中的衰減情況，進而可以檢測光纖的斷裂；1985 年，HARTOG 等基于固態(tài)光纖研制出了具有較好適用性的分布式光纖測溫裝置，即拉曼光時域反射儀；而英國的DAKⅠN 則是將石英光纖引入到拉曼光時域反射儀中，后期的拉曼光時域反射儀基本就是沿著這個裝置繼續(xù)演進下去的。

相比于國外對拉曼光時域反射儀的研究，國內的研究略微滯后。20 世紀80 年代末期，重慶大學的黃尚廉等著手研究拉曼光時域反射儀，而后基于普通多模通訊光纖成功地研制了拉曼光時域反射儀；上海交通大學的周正仙等也于2009 年成功研制出了溫度精度可達0.1 ℃且空間定位分辨率可達1 m 的拉曼光時域反射儀；中國計量大學的張在宣等也對拉曼光時域反射儀進行了一系列的研究，并進行了廣泛的產業(yè)化應用。

2.2 拉曼光時域反射儀的工作原理

真實的光纖折射率是不均勻性的，可以類比于一個個大小不一的顆粒懸浮于光纖中。當有激光注入到光纖中，由于折射率的平均值遠大于折射率的差異值，激光依舊按照全反射的原理在光纖中向前傳播。但是，由于折射率差異或者說大小不一的顆粒的存在，激光在向前傳輸的過程中會發(fā)生散射。這些散射光有一部分返回至光纖注入端口，稱之為背向散射光。從光纖注入端口搜集到的背向散射光攜帶了光纖沿途諸如溫度、振動、應力等事件的信息，因而可以通過研究背向散射光獲得光纖沿途事件的信息。

注入光纖的激光作用于這些不一致的顆粒時，會產生一種叫做拉曼散射的非彈性散射。產生的拉曼散射光是光纖中分子的熱振動與光子相互作用的結果。光能和熱能的相互轉化產生了2個新的頻率成分的光，等距離地分布在注入激光光頻的兩側，分別叫做斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，斯托克斯光的光強不隨溫度的變化而變化，而反斯托克斯光的光強會隨著溫度的變化而變化。為了補償衰減或散射程度分布的不一致，斯托克斯光的光強與反斯托克斯光的光強兩者以比值的形式出現。理論上，比值與溫度之間存在著指數函數的關系，因此可以從比值中求解出溫度信息。需要指出的是，由于溫度信息是與比值存在對應關系，而不是與某個頻率光的光強呈對應關系，當光纖使用年久出現老化現象時，斯托克斯光與反斯托克斯光的光強雖然都會因老化而發(fā)生變化，但是兩者光強的比值相對不變，從而使溫度的測量精度不會因此而出現測量性能的下降。但2 個不同頻率的光存在傳播快慢的問題，2 個頻率光之間又存在補償的需要，故而在實際的測量應用中需要進行相應的處理。

對于大多數的拉曼光時域反射儀，其系統(tǒng)結構主要由激光器、調制器、耦合器、環(huán)形器、光分離器件、傳感光纖、光電探測器、數據采集卡、脈沖控制器等組成。激光器輸出連續(xù)的探測光，由于激光具有高相干性，再加上激光頻率漂移等影響，一般通過多次平均獲得平滑的曲線。系統(tǒng)的控制中心要求脈沖控制器發(fā)送周期性的脈沖，以通過調制器對激光器發(fā)出的連續(xù)光進行調制。脈沖控制器發(fā)出脈沖的周期和寬度決定了調制器輸出的光脈沖的周期和寬度。光脈沖的周期決定了傳感光纖長度的上限值，而光脈沖的寬度決定了溫度探測在空間距離上的分辨率。光脈沖注入光纖后產生的背向拉曼散射光返回注入端口，經光分離器件將斯托克斯光和反斯托克斯光分離開來，并分別被光電探測器搜集，光電探測器一般采用雪崩光電二極管等高增益探測器。兩路光電探測器將輸出的電信號分別送入數據采集卡，數據采集卡的采樣率影響溫度探測在空間距離上的分辨率。

3 在多元電力設備應用中的關鍵問題

3.1 提高光纖感溫上限的問題

在多元電力設備中，有變壓器、開關柜、電抗器、避雷器、互感器、電容器、斷路器等一系列電氣設備。對于變壓器，正常工作時的溫度約為80 ℃，發(fā)生故障時往往會超過130 ℃[5]。而對于開關柜、電抗器等電氣設備，由于老化等原因產生局部放電時，其區(qū)域溫度有可能急速飆升。對于普通的石英光纖，由于基本材質就是玻璃，其最高耐受溫度非常高，但這只是裸纖的可承受溫度。一般為了增強光纖的強度和柔軟性，光纖的表面都會覆蓋一層涂覆層，甚至外面還有軟質護套。這些附加材料的耐受溫度時常比裸纖的耐受溫度要低，使得整個測試光纖的耐受溫度無法滿足在電力設備溫度測量中的應用需求。

為了解決這一問題，目前較流行的有2 種方案：①在原光纖的基礎上增加金屬鎧裝，同時具有抗拉、抗壓、防扭等作用。但需要注意的是，這種增加了鎧裝的光纜事實上只是較大限度地協調了導熱速度與光纜強度之間的關系。換言之，可以簡單地認為只是避免了原光纖局部感受高溫的情況。這種方案不可能將探測溫度的上限提高很多。一般情況下，此類方案的感溫光纜的探測溫度上限大概在120 ℃。像變壓器一類的電氣設備，如果是處于正常工作狀態(tài)下，感溫光纜能夠正常工作，但變壓器一旦出現故障，溫升失控，感溫光纜很可能不能正確地感知溫度的數值。②在光纖材料中摻入金屬元素，比如鍍金或者鍍鋁，所摻雜金屬元素不同，光纖最終的感溫上限也不同。像鍍金的光纖，其感溫上限可以達到800 ℃，這對于多元電力設備中的絕大多數應用場景的溫度感知，已經足夠了。

3.2 提高溫度空間分辨率的問題

在拉曼光時域反射儀的溫度測量中，溫度分辨率有2 層意思。第一層意思是溫度數值本身的分辨程度。該分辨率原則上受限于光電探測器的增益和噪聲水平、探測脈沖光的功率、數據采集卡的采集精度等。在測溫系統(tǒng)的設計過程中，這些參數指標需要統(tǒng)籌兼顧。目前商用的拉曼光時域反射儀的溫度分辨率一般可達0.1 ℃，而溫度測量的精度也可以達到1 ℃。這樣的溫度指標對于多元電力設備溫度的測量綽綽有余。但對于第二層意思，溫度事件在空間上的分辨率是目前拉曼光時域反射儀的一個痛點。目前商用拉曼光時域反射儀的溫度空間分辨率普遍為1 m，分辨率稍高一點為0.5 m。這主要是由于在性價比上受數據采集卡的采樣率、探測器的響應速度、光脈沖的空間寬度、接收電路的帶寬等因素的影響。隨著光電技術的發(fā)展，探測器的響應速度和接收電路的帶寬在性價比上越來越能夠被接受。對于數據采集卡，100 MSa/s 的采樣率正好對應1 m 的空間距離，而10 ns 脈沖的光脈沖恰好對應1 m 的空間分辨率。不巧的是，在數據采集卡的設計上，100 MSa/s 的采樣率又正好是設計理論、設計難度、制造價格的分水嶺。另外，更小的空間分辨率還需要更窄的光脈沖寬度，如此，系統(tǒng)的成本則會成倍飆升，這對于產品的商業(yè)化應用是難以接受的。在多元電力設備中，溫度測量設備的價格相對敏感，因此不能一味以犧牲性價比獲取溫度空間分辨率的提升。在實際的應用場景中，電力設備往往是管狀、卷面狀等形狀。對于管狀電力設備，可以將光纖沿著管子纏繞，因此管子的直線距離小于管上2 點之間光纖的長度，這就從事實上提高了光纖測溫的空間分辨率；對于卷面狀的電力設備，將光纖往復折返布置于電力設備上，也可以達到事實上提高光纖測溫空間分辨率的目的。

4 結論

本文詳細敘述了多元電力設備測溫的必要性，并給出了拉曼光時域反射儀測量溫度的優(yōu)勢。針對拉曼光時域反射儀的起源、發(fā)展、工作原理以及其在多元電力設備應用場景中存在的問題進行了詳細的分析和討論，并對溫度測量的上限和空間分辨率進行了重點分析，探究了其解決方案。這些探討有益于拉曼光時域反射儀在多元電力設備溫度監(jiān)測中的應用推廣。