拉曼测温系统在高压开关柜监测中的应用研究

李 欢，李永倩，王 虎，何青尔

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

在电力系统中，许多电气事故是由于电力设备或线缆连接处过热而发生的[1]。固定螺丝松动、大气腐蚀及氧化等，会造成连接处接触不良，从而使连接处温度升高，出现局部熔化或产生电火花和电弧放电，殃及周围绝缘材料，最终造成电气设备或线缆的损坏，甚至对人身的安全造成危害。因此，对电力设备和线缆连接处进行温度监测及过热报警是避免重大事故的有效手段，也是电力系统迫切需要解决的问题。高压开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线路故障保护等重要任务，其安全可靠的运行对于确保电力生产安全至关重要。

高压开关柜在长期运行的过程中，柜体内断路器的触头、母线排连接处和电缆接头[2]等部位，因氧化、松动等原因会引起接触不良和局部过热。在大电流情况下，相应部位热功率很大，结果是接头发热严重，加剧接触面氧化，使得接触电阻增大，并进一步导致温度上升，形成恶性循环，发展到一定阶段后则会造成严重的事故，破坏供电的安全性。

传统测量高压开关柜触点温度方法采用热电偶、热敏电阻、半导体温度传感器等温度敏感元件，但这些元件都需要金属导线进行信号传输，不能保证在开关柜内可靠绝缘，从而无法在线测量柜内高电位接触点的运行温度。红外成像测温是一种常用的非接触式测量方法，但由于开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，通过红外谱间接获取温度数据的准确性不能满足要求，且红外热像仪成本较高，不利于推广使用[3]。特别是由于电气设备附近一般有较强的电磁场，对传感信号的检测及传输都有较大的干扰。因此，普通电子类传感器不适合于电气设备的在线温度监测。基于拉曼散射的分布式光纤测温系统不但可实现多点、在线分布式测量，而且由于采用石英光纤作为传感元件，采用光信号获取和传输温度信息，不易受高压环境下强电磁场干扰，灵敏度高、重量轻、数据稳定可靠，具有很高的安全可靠性。另外，光纤本身绝缘、不导电，能充分保障操作人员的人身安全。利用光纤的这种绝缘、稳定且传输信号不受电磁场影响的特性，可以把温度传感光纤直接安装在开关柜内静触头、母线、接点上，向低电位侧传输温度信号，实现开关柜运行温度的在线监测。利用拉曼分布式光纤测温系统连续地采集信号，并根据现场情况科学地设定报警阈值，可做到早期预警，防患于未然。因此，拉曼分布式测温系统在高压开关柜温度在线监测中具有独特优势。

1 拉曼分布式光纤测温原理

1.1 拉曼散射的温度敏感特性

当光在光纤中传输时，光与光纤材料相互作用发生三种形式的散射:瑞利 (Rayleigh)散射、拉曼 (Raman)散射和布里渊 (Brillouin)散射。Rayleigh散射频率与入射光相同;Brillouin散射和Raman散射相对入射光产生一定频移，而且都包含斯托克斯 (Stokes)和反斯托克斯 (Anti-Stokes)两个分量，两种散射的Stokes分量和Anti-Stokes分量对称位于入射光谱的两侧，如图1所示。

图1 光纤中的光散射频谱分布Fig.1 Spectrum distribution of light scattering in the fiber

在三种散射中，Rayleigh散射强度最强，约比入射光低3～5个数量级;Brillouin散射强度比Rayleigh散射低2～3个数量级;Raman散射强度约比Brillouin散射低一个数量级[4]。一般认为，瑞利散射对温度不敏感;拉曼散射和布里渊散射都对温度敏感，且Raman反斯托克斯散射光强与Brillouin散射光强的温度系数分别为0.8%/℃[5]和0.36%/℃[6]，所以拉曼散射和布里渊散射都可以用来测量温度。但是，由于布里渊散射对应力也是敏感的，外界应力的变化会影响测量温度的准确度，因此当只需要了解被测对象的温度信息时，通常采用光纤的拉曼散射实现温度的测量。

拉曼散射效应是指入射光与散射介质发生非弹性碰撞，在相互作用时入射光可以释放或吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子，并产生Raman频移。入射光释放一个高频声子后形成的光分量称为Stokes光，入射光吸收一个高频声子后形成的光分量称为Anti-Stokes光。Stokes光的频率为vs=v-Δv，Anti-Stokes光的频率为

式中:v为入射光频率;Δv为拉曼频移。

拉曼散射中Stokes光和Anti-Stokes光的强度与温度的关系分别为

式中:Is和IA分别为 Stokes和 Anti-Stokes散射光强;λs和λas分别为Stokes光和Anti-Stokes光的波长;h为普朗克常量;C为真空中的光速;k是玻耳兹曼 (Boltzmann)常数;T为绝对温度;Δγ=Δv/C为拉曼频移波数。

由式 (1)、 (2)可见，Stokes和Anti-Stokes散射光强服从Boltzmann分布，由于处于振动基态上的粒子数远大于振动激发态上的粒子数，所以Anti-Stokes光的强度远小于Stokes光的强度。由(1)、(2)两式可以推导出自发拉曼散射中Anti-Stokes光与Stokes光强度之比为[7]

式中:vi是光纤材料分子的振动频率。从 (3)式可以看出，一旦激光源确定，v为常数，由于分子振动的频率νi决定于光纤材料，所以根据 (3)式可以唯一地确定温度T。

1.2 光时域反射测量原理

当光脉冲入射到光纤中时，光脉冲在其传播的过程中连续产生散射光。后向散射光返回到光纤入射端所走过的路程为2Z

式中:Z为散射点距光源的距离;V为光脉冲在光纤中的传播速度;t为从光脉冲进入光纤到光纤始端接收到后向散射信号的时间;C为真空中的光速;n为光纤折射率。由此可知，光纤一旦确定，其折射率相应确定，在测得时间t后可求得散射点距光源的距离Z，即定位距离。返回到光纤入射端的后向散射光强是散射点位置和返回时间的函数，因此，由光电检测器检测不同时刻返回光纤输入端的后向散射光强，可以确定后向散射沿光纤的空间分布，从而获取被测量沿光纤的分布信息。当后向散射为光纤的拉曼散射时即可实现沿光纤温度分布的测量。

在设计拉曼分布式光纤测温系统时，考虑到Raman频移较大，当入射光波长为1550 nm时约为100 nm[5]。通常采用双通道、双波长对Stokes光和Anti-Stokes光分别进行采集，利用两者强度的比值进行温度信号解调，由于Anti-Stokes光的温度系数比Stokes光大很多，因此将Anti-Stokes光作为计算温度的主要依据，Stokes光作为参考光，用来消除光纤衰耗、接头和弯曲损耗等的影响。

2 拉曼分布式测温系统组成

基于光时域反射原理和光纤后向拉曼散射温度敏感效应的测温系统组成如图2所示。系统主要由光源、波分复用器、光电检测器、放大器、高速数据采集卡和计算机组成[8]，光源使用1 550 nm ns级脉冲激光器，波分复用器由双向耦合器及多光束干涉介质薄膜滤光片组成，光电接收与放大组件包括雪崩光电二极管APD和高增益、宽带、低噪声放大器。

图2 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统Fig.2 Distributed fiber temperature measurement system based on Raman

在图2所示系统中，计算机控制同步脉冲发生器产生具有一定重复频率和宽度的电脉冲。此脉冲一方面驱动激光器，使之产生一系列具有一定宽度的大功率光脉冲;同时向高速数据采集卡提供同步脉冲，使数据采集卡进入数据采集状态。光脉冲经过波分复用器的一个端口进入传感光纤，在光纤各点产生后向散射光，经波分复用器到达检测端。波分复用器通过薄膜干涉滤光片从后向散射光中滤出Stokes光和Anti-Stokes光，分别送入APD和放大器中进行光电转换和放大，然后由数据采集卡进行高速数据采集，经过进一步的信号处理提高信噪比，用于温度的计算，从而实现温度测量的功能。

3 高压开关柜温度监测应用探讨

在电力系统变电站内，通常是由多个高压开关柜连接不同路由的输电线路。高压开关柜主要由动、静触头、母线、电流互感器、隔离开关等构成，承担着输电线路的开断和关合。为了对开关柜的运行温度进行在线监测，可将整条传感光纤以合适的方式串接在高压开关柜内相应的测温点处。例如，把开关柜内静触头及母排作为测温点，用光纤把三相母排及静触头串接在一起监测其温度，由于光纤纤细，开关柜内结构复杂，由于拉曼散射只对温度敏感，不用考虑温度、应变交叉敏感性的问题，但是要考虑的是在安装光纤时，应防止因应力过大而导致光纤断裂，影响系统的正常测量。文献[9]中分析了光纤温度传感器能够满足触头温度监测的要求，也分析了光纤的电磁特性能够满足高压开关柜内磁场的应用要求，因此基于光纤拉曼传感系统在高压开关柜温度在线监测具有可行性。基于拉曼测温系统的高压开关柜监测系统如图3所示[10]。图中A，B，C表示三相输电线路。在图3中，把静触头和母排作为温度监测点，从开关柜引出的光纤连接到拉曼测温系统上，开关柜内监测点的温度信息以曲线的方式显示在测温系统的屏幕上，通过拉曼光纤温度测量系统得到传感光纤温度分布情况，从而获取变电站内高压开关柜测温点的温度信息。

在基于拉曼分布式光纤测温系统的高压开关柜监测系统中，根据开关柜静触点及母排的温度变化范围，可以采用普通通信光纤或抗高温光纤作为传感光纤，将整条光纤紧密贴附或缠绕在测温点处并用绝缘扎带及导热胶将其固定，缠绕光纤最小弯曲半径应参照具体光纤参数，避免光纤损耗过大，保证光纤不与其他部位接触，防止光纤损伤。

图3 基于拉曼测温系统的高压开关柜监测系统Fig.3 High voltage-switchgear monitoring system based on Raman temperature measurement system

拉曼温度传感器的引出光纤由石英光纤构成，外部封装上低烟无卤、阻燃型的热塑材料，二者都具有良好的耐温耐热和绝缘耐压特性，而且护层不落灰，具有良好的抗爬特性。光纤本身绝缘且不带有任何金属结构，安装到高压开关柜内后不会降低开关柜自身的绝缘安全等级，不会引入安全隐患。若要同时监测开关柜内其他部位温度，只需把光纤串接在需要测温的位置即可。

随着电网规模不断扩大，待测变电站开关柜相应增多，因此需要构建覆盖一定区域的变电站高压开关柜监测网络。对于这种监测网络，由于通信站点与变电站较多，网络结构复杂，因此在每个变电站需要放置一台拉曼开关柜温度监测系统，并利用电力通信网将位于不同变电站的监测系统连接在一起，构成具有一定规模的变电站开关柜监测网络。基于拉曼测温系统的高压开关柜监测网络如图4所示。

监控中心位于电力局中心机房，是系统的核心组成部分，主要负责对监测现场的管理和维护。在图4的高压开关柜监测网络中，利用电力通信网把各变电站监测系统的信息上传到监控中心的服务器集中处理，同时把监控中心的测试指令下达到各变电站的监测系统，进行高压开关柜测温工作，并接收来自不同监测站的测试返回信号，将所测得的监测数据通过电力通信网传入监控中心的数据分析系统，进行高压开关柜温度分布的分析。最后将所得到的开关柜温度数据以图形的形式显示在监视器上，实现高压开关柜温度的在线监测和故障的预警。

图4 基于拉曼测温系统的高压开关柜监测网络Fig.4 High voltage-switchgear monitoring network based on Raman temperature measurement system

基于拉曼分布式光纤测温系统的变电站高压开关柜温度监测网络，可以有效地解决用普通电子类传感器、红外成像仪进行高压开关柜温度在线监测存在的问题，并具有历史数据查询和超阈值报警等功能。该网络测量精度高，定位准确，可实时、在线监测处于不同变电站的不同开关柜易发热点的温度，并对故障隐患进行预警，以便在演变成事故前尽早采取措施处理[10]。网络建成后，可以实现带电设备过热在线监测、信息共享，不仅节省大量的人力和物力，而且为开关柜预防性检修提供参考依据，对安全生产提供有力保障。若供电公司引入此网络，可以使供电公司和变电站工作人员准确掌握开关柜的运行状态，减少人员巡检的次数，提高故障监测水平，减小劳动强度，提高工作效率。

4 结论

拉曼分布式光纤温度传感器以其独特的优点在石油、化工、冶金等领域得到了广泛应用。本文分析了电子类感温元件在高压开关柜在线监测中存在的问题及拉曼测温系统的优势，介绍了拉曼分布式测温原理和系统的组成。探讨了拉曼测温系统在高压开关柜监测中的应用问题，设计了基于电力通信网和拉曼监测系统的高压开关柜监测网的组网方案。拉曼分布式测温系统可对高压开关柜进行连续实时在线温度监测，准确地测量出被测目标的温度分布，为开关柜预防性检修提供参考依据，对过热事故隐患及时报警、准确定位，对提高高压开关柜运行乃至电力系统运行可靠性具有重要作用。

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