分布式光纖測溫系統研究及其在變配電所中的應用

柴書明

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧062350）

分布式光纖測溫系統研究及其在變配電所中的應用

柴書明

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧062350）

針對鐵路變配電所電氣設備由于接續不良等原因造成的運行溫度過高，引發事故隱患這一問題，歸納總結了目前電氣設備常用的測溫方法，分析了各種測溫方法的優缺點，對分布式光纖測溫的基本原理及其特點進行了研究，并介紹了現場應用實例及其效果。

電氣設備；測溫；分布式；光纖

在電氣化鐵路牽引供電系統中，高壓開關柜電氣接點過熱、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，如不能及時發現和處理，會引發爆炸與火災等惡性事故，嚴重影響電氣化鐵路正常的運輸生產。因此，采用先進可靠的技術，對高壓開關柜電氣接點、高壓電纜及中間頭等設備的溫度實時在線監測和預警，及時掌握各被監測對象的故障趨勢，進行智能分析，準確定位，對指導電氣設備檢修工作，減少非計劃停電，降低運行成本，防止發生火災等惡性事故，保障鐵路運輸安全具有重要的意義。

1 常用的測溫方式

（1）測溫貼片：其機理各種各樣，但都是物體受熱后發生一系列化學和物理變化，由分子構造的改動，導致反射光的顏色發作轉變，例如晶型轉化、升華、掉水、氧化、分化惹起光散射的頻帶轉移。將測溫貼片貼于被測節點上，當被測點的表面溫度達到測溫貼片的標定溫度時，測溫貼片的顏色將發生變化，從而指導值班員或巡檢人員進行檢修。這種方式的優點是簡便易行，測溫成本比較低廉，缺點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射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體的溫度。紅外測溫技術目前已發展到可對有熱變化表面進行掃描測溫，確定其溫度分布圖像，這就是紅外熱像儀。測溫時由測溫人員手持測溫儀對準被測點進行測溫，直接讀取被測點溫度。這種方式的優點是測量范圍大，準確度高，缺點是設備昂貴，且需大量人力進行定期巡測，無法實現溫度的實時在線監測。

（3）電氣節點溫度在線監測系統：其原理是在被測電氣節點上吸附粘貼等電位無線傳感檢測探頭，通過熱敏元件將實時溫度信號經信號識別處理后，由射頻模塊發送到接收機站及監控中心，實時顯示電氣節點的溫度。優點是自動化程度高，可以實時在線監測電氣節點的溫度及其變化，缺點是只能測量電氣節點的溫度，無法適應需連續測量如電纜全長的溫度。

2 分布式光纖測溫系統

2.1 基本原理

分布式光纖測溫系統是基于目前世界最先進的分布式光纖傳感與控制技術研制開發的測溫預警系統。其工作原理是利用光在光導纖維中傳輸時產生的自發喇曼（Raman）散射和光時域反射（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）和外部保護層組成（見圖1）。

當在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖時，激光在光纖中向前傳播的同時，自發產生喇曼散射光波，喇曼散射光波的強度受所在光纖散射點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，可以解調出光纖散射點的溫度變化。同時，根據光纖中光波的傳輸速度與探測時間的物理關系，可以對溫度信息點進行定位（見圖2）。

分布式光纖測溫系統涉及的技術包括高頻脈沖激光技術、光纖喇曼光譜技術、光波分復用技術、光時域反射技術、高頻信號采集技術、微弱信號處理技術、計算機數據處理技術、計算機網絡與通訊技術等。

由于背向喇曼散射光波的強度非常微弱，因此，需要采用先進的高頻信號采集技術和微弱信號處理技術，經過光學濾波、光電轉換、放大、模數轉換后，送入信號處理器，解調出光纖各測溫點的溫度值；然后，將采集的溫度數據傳送到計算機系統進行數據處理，通過組態軟件展示各測溫點的溫度值和變化狀態。當某一被監測點的溫度超過系統設定的報警預定值時，自動啟動報警裝置通知值班人員處理。另外，通過計算機網絡可以實現遠程數據共享（見圖3）。

2.2 系統結構

分布式光纖測溫系統結構比較簡單直觀，該系統主要由溫度傳感光纖、測溫主機（分布式光纖測溫儀）、計算機監控系統和預警系統4大部分組成。根據需要，可以采用多臺測溫主機進行組網，擴大測溫范圍。

系統結構圖如圖4。

2.3 系統特點

分布式光纖測溫技術具有連續分布、本質安全、測溫精確、耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾等優點。它與以電為基礎的溫度傳感技術有本質的區別，也與以光柵作為溫度傳感器的測溫技術有很大的不同。

分布式光纖測溫技術的優勢表現在以下方面

（1）連續性

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

（2）擴展性

由于光纖的連續分布測溫特點，使得其非常容易擴展監測區域。與點式傳感器的測溫方式不同，它不會受到單通道最大布設探測器數量的限制。當用戶希望在光纖敷設沿線或在開關柜里多增加一些監測點時，很容易實現。

（3）安全性

光纖本質安全，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行接觸式測溫。另外，由于光信號不受任何強電磁場的干擾，保證了檢測和傳輸的快速、靈敏、準確。此系統在測溫現場無需其他電子設備，真正實現了無電檢測，系統運行穩定可靠。

（4）易用性

分布式光纖測溫系統所使用的光纖，在非人為損壞情況下，使用壽命長達20年以上。既使因設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所無法相比的。另外，系統采用了特有的分時回路技術和隔離技術，可以保證光纖檢測線路上某一點出現故障時，在電氣設備無法停電檢修的情況下，不影響其他被監測設備的溫度采集。

（5）可靠性

分布式光纖測溫系統遵循行業、國家相關標準，可以保證產品的質量和系統運行的安全性、穩定性。該系統已通過中國計量科學研究院的技術檢測，多項技術指標達到國際國內先進水平，所使用的絕緣光纖通過了中國電力科學院的高電壓檢測。目前，系統已應用于電力、電氣化鐵路、石化、廣播電視等行業。

3 分布式光纖測溫系統在肅寧北變配電所的應用

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變配電所。隨著運量的增長以及運行時間的延長，設備老化發熱問題比較突出。為了加強對電氣節點的溫度監測，2010年已安裝電氣節點溫度在線監測系統，重點監測各種電氣接續點的溫度。為使電纜設備也納入溫度監測范圍，防止火災等突發性故障，2012年安裝了分布式光纖測溫系統，提高了全所電氣設備的溫度監測自動化水平。自投入使用以來，運行穩定，測溫效果良好。

肅寧北變配電所分布式光纖測溫系統由光纖測溫儀、工業控制機、系統監控軟件、測溫光纖等組成。測溫儀、工控機安裝于變電所既有視頻監測機柜內，測溫光纜布設于室內外電纜溝內，將測溫光纖綁扎在被測電纜上，布設方式采用兩種，一種是大負荷重要電纜采用單獨監測，一種是測溫光纖在電纜支架上做蛇行敷設，同時監測多條電纜溫度。對于電纜頭需重點監測，光纖在電纜中間頭的敷設方式見圖5。光纖敷設完畢后，還需對測溫區域進行位置標定，安裝監控軟件，設定預警溫度。

4 結 論

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

（2）分布式光纖測溫系統在測溫連續性、可擴展性、安全性、易用性、可靠性等方面具有比較突出的優勢。

（3）肅寧北變配電所安裝的分布式光纖測溫系統與既有電氣節點測溫系統相結合，將電氣節點測溫和電纜測溫納入統一的溫度監測系統，提高了設備運行溫度的監測水平。

［1］ 匡紹龍，朱學斌.分布式光纖溫度傳感器原理及其在變電站溫度監測中的應用［J］.電力自動化設備，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［J］.江蘇電機工程，2005，24（1）：6-8.

［3］ 劉明光電氣化鐵道高電壓絕緣與試驗技術［M］.成都，西南交通大學出版社，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，高級工程師（

2014－03－10）