拉曼測溫系統在高壓開關柜監測中的應用研究

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

在電力系統中，許多電氣事故是由于電力設備或線纜連接處過熱而發生的[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，出現局部熔化或產生電火花和電弧放電，殃及周圍絕緣材料，最終造成電氣設備或線纜的損壞，甚至對人身的安全造成危害。因此，對電力設備和線纜連接處進行溫度監測及過熱報警是避免重大事故的有效手段，也是電力系統迫切需要解決的問題。高壓開關柜是輸配電系統中的重要設備，承擔著開斷和關合電力線路、線路故障保護等重要任務，其安全可靠的運行對于確保電力生產安全至關重要。

高壓開關柜在長期運行的過程中，柜體內斷路器的觸頭、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，相應部位熱功率很大，結果是接頭發熱嚴重，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻增大，并進一步導致溫度上升，形成惡性循環，發展到一定階段后則會造成嚴重的事故，破壞供電的安全性。

傳統測量高壓開關柜觸點溫度方法采用熱電偶、熱敏電阻、半導體溫度傳感器等溫度敏感元件，但這些元件都需要金屬導線進行信號傳輸，不能保證在開關柜內可靠絕緣，從而無法在線測量柜內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，但由于開關柜內部結構復雜，元件互相遮擋較多，通過紅外譜間接獲取溫度數據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備的在線溫度監測。基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統不但可實現多點、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，不易受高壓環境下強電磁場干擾，靈敏度高、重量輕、數據穩定可靠，具有很高的安全可靠性。另外，光纖本身絕緣、不導電，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柜內靜觸頭、母線、接點上，向低電位側傳輸溫度信號，實現開關柜運行溫度的在線監測。利用拉曼分布式光纖測溫系統連續地采集信號，并根據現場情況科學地設定報警閾值，可做到早期預警，防患于未然。因此，拉曼分布式測溫系統在高壓開關柜溫度在線監測中具有獨特優勢。

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，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個數量級;Brillouin散射強度比Rayleigh散射低2～3個數量級;Raman散射強度約比Brillouin散射低一個數量級[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力也是敏感的，外界應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溫度的測量。

拉曼散射效應是指入射光與散射介質發生非彈性碰撞，在相互作用時入射光可以釋放或吸收一個與散射介質分子振動相關的高頻聲子，并產生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;T為絕對溫度;Δγ=Δv/C為拉曼頻移波數。

由式 (1)、 (2)可見，Stokes和Anti-Stokes散射光強服從Boltzmann分布，由于處于振動基態上的粒子數遠大于振動激發態上的粒子數，所以Anti-Stokes光的強度遠小于Stokes光的強度。由(1)、(2)兩式可以推導出自發拉曼散射中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，由于分子振動的頻率νi決定于光纖材料，所以根據 (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產生散射光。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，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沿光纖溫度分布的測量。

在設計拉曼分布式光纖測溫系統時，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，由于Anti-Stokes光的溫度系數比Stokes光大很多，因此將Anti-Stokes光作為計算溫度的主要依據，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的測溫系統組成如圖2所示。系統主要由光源、波分復用器、光電檢測器、放大器、高速數據采集卡和計算機組成[8]，光源使用1 550 nm ns級脈沖激光器，波分復用器由雙向耦合器及多光束干涉介質薄膜濾光片組成，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Fig.2 Distributed fiber temperature measurement system based on Raman

在圖2所示系統中，計算機控制同步脈沖發生器產生具有一定重復頻率和寬度的電脈沖。此脈沖一方面驅動激光器，使之產生一系列具有一定寬度的大功率光脈沖;同時向高速數據采集卡提供同步脈沖，使數據采集卡進入數據采集狀態。光脈沖經過波分復用器的一個端口進入傳感光纖，在光纖各點產生后向散射光，經波分復用器到達檢測端。波分復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換和放大，然后由數據采集卡進行高速數據采集，經過進一步的信號處理提高信噪比，用于溫度的計算，從而實現溫度測量的功能。

3 高壓開關柜溫度監測應用探討

在電力系統變電站內，通常是由多個高壓開關柜連接不同路由的輸電線路。高壓開關柜主要由動、靜觸頭、母線、電流互感器、隔離開關等構成，承擔著輸電線路的開斷和關合。為了對開關柜的運行溫度進行在線監測，可將整條傳感光纖以合適的方式串接在高壓開關柜內相應的測溫點處。例如，把開關柜內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測其溫度，由于光纖纖細，開關柜內結構復雜，由于拉曼散射只對溫度敏感，不用考慮溫度、應變交叉敏感性的問題，但是要考慮的是在安裝光纖時，應防止因應力過大而導致光纖斷裂，影響系統的正常測量。文獻[9]中分析了光纖溫度傳感器能夠滿足觸頭溫度監測的要求，也分析了光纖的電磁特性能夠滿足高壓開關柜內磁場的應用要求，因此基于光纖拉曼傳感系統在高壓開關柜溫度在線監測具有可行性。基于拉曼測溫系統的高壓開關柜監測系統如圖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測點，從開關柜引出的光纖連接到拉曼測溫系統上，開關柜內監測點的溫度信息以曲線的方式顯示在測溫系統的屏幕上，通過拉曼光纖溫度測量系統得到傳感光纖溫度分布情況，從而獲取變電站內高壓開關柜測溫點的溫度信息。

在基于拉曼分布式光纖測溫系統的高壓開關柜監測系統中，根據開關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熱膠將其固定，纏繞光纖最小彎曲半徑應參照具體光纖參數，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 基于拉曼測溫系統的高壓開關柜監測系統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構，安裝到高壓開關柜內后不會降低開關柜自身的絕緣安全等級，不會引入安全隱患。若要同時監測開關柜內其他部位溫度，只需把光纖串接在需要測溫的位置即可。

隨著電網規模不斷擴大，待測變電站開關柜相應增多，因此需要構建覆蓋一定區域的變電站高壓開關柜監測網絡。對于這種監測網絡，由于通信站點與變電站較多，網絡結構復雜，因此在每個變電站需要放置一臺拉曼開關柜溫度監測系統，并利用電力通信網將位于不同變電站的監測系統連接在一起，構成具有一定規模的變電站開關柜監測網絡。基于拉曼測溫系統的高壓開關柜監測網絡如圖4所示。

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

圖4 基于拉曼測溫系統的高壓開關柜監測網絡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的變電站高壓開關柜溫度監測網絡，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柜溫度在線監測存在的問題，并具有歷史數據查詢和超閾值報警等功能。該網絡測量精度高，定位準確，可實時、在線監測處于不同變電站的不同開關柜易發熱點的溫度，并對故障隱患進行預警，以便在演變成事故前盡早采取措施處理[10]。網絡建成后，可以實現帶電設備過熱在線監測、信息共享，不僅節省大量的人力和物力，而且為開關柜預防性檢修提供參考依據，對安全生產提供有力保障。若供電公司引入此網絡，可以使供電公司和變電站工作人員準確掌握開關柜的運行狀態，減少人員巡檢的次數，提高故障監測水平，減小勞動強度，提高工作效率。

4 結論

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

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