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摘要：介绍了分布式光纤拉曼测温系统原理及系统的组成，分析了电子类传感器在电缆温度在线监测中存在的问题，阐明了分布式光纤拉曼测温系统在电缆测温在线监测中的优势，总结了测温系统在使用中的情况。
關键词：光纤传感器；分布式测量；拉曼散射；温度；电缆温度监测、宜昌温设备使用情况报告
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。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。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电缆及接点上，向低电位侧传输温度信号，实现电缆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电缆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；Bri llouin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Stokes分量和Anti—Stokes分量对称位于入射光谱的两侧，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。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%/℃和0.36%/℃，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。
1.2光时域反射测量原理
考虑到Raman频移较大，当入射光波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222Z=VXt，V=C/n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，考长为1550nm时约为100nm。通常采用双通道、双波长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.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，光源使用1550hm 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。
3.光纤传感测温系统在宜昌风电的应用
3.1.技术参数
3.1.1.主机的安装
主机可安装在控制室进行远程操作。
3.2光纤的铺设
光纤沿电缆铺设，绑扎在电缆上，每隔一米绑一个扎带，确保光纤与电缆的接触良好，以便准确的感应到电缆的温度变化。在电缆接头处采取加强监测，预留一个十米长的光纤，绕成圆，然后绑扎在电缆上，
4.设备事故分析
4.1.电缆爆炸事故
2015年11月15日晚21点39分湖北宜昌百里荒变电站停电，经检查原因是由于电缆被击穿导致的，而在电缆被击穿的过程中电缆肯定会有温度变化，及电缆表面温度会有所上升。本套分布式感温系统的主要作用就是检测电缆表面温度，但本套设备在电缆击穿的过程中，并未在该点产生报警，对于这种现象，经过检查、分析、研究，总结出以下结论。
根据设备记录，可以调出一天电缆被击穿点的温度变化曲线。
根据曲线可以判断当天上半夜温度很明显比下半夜的温度的平均值较高，这主要是因为，上半夜用电量比较大，导致电缆负荷较大，温度会有所上升。并可以看出在午时电缆温度也会有所上升，这主要是因为，午时环境温度比较高，其电缆温度会有所上升。由此可以看出外景环境温度的变化以及用电量的大小都会影响电缆温度本身的变化。而本套分布式感温系统能真实反映以上两种情况的温度变化，并做出采集，并且可以看出，该点在一天的温度变化并没有大的起伏，从而确认本套系统设备能够真实采集电缆温度，反映电缆温度变化。
4.2光纤断裂检测报警
当系统识别到的光纤长度小于之前铺设完成的光纤长度之时，系统就会发出报警。2016年3月11日8：36分，系统检测到2通道6000米处光纤断裂；2016年3月18日15：01分检测到1通道在2536米处断裂。
经宜昌风电维护人员到现场检查发现断裂处均是由施工导致，外部人员所用挖掘机由电缆盖板上方压过，不仅压断盖板，压断光缆，还对电缆造成一定安全隐患。
断点位置与实际位置误差分析：由于光纤在每个电缆接点处要多预留10米长度加强监测，测温主机里也有70米的预留，加上计算里程也会产生一定误差，但总体来说光纤的长度要比实际里程上的长一些。误差在10%左右，对实际巡检提供有效的指导。
5、结论
光纤断裂事故较好的反映了本测温系统的灵敏度及实用性。随着外界温度的变化，测温系统能准确识别到，当光纤所处的环境温度达到预设的报警温度时，能给出及时的预警作用。而从光纤断裂这一事故中，体现了光纤传感测温系统的另一个作用：对电缆所处环境遭到破坏时，也能起到一定的预警作用，系统报警所提供的位置信息方便维护人员及时到达现场检查，如施工等人为因素对电缆造成了损坏也能提供一个依据。在百里荒风电场这样总电缆铺设长度接近40公里，且绝大部分电缆属于地埋或沟道中，对维护人员的巡检造成很大的不便，安装一套光纤测温设备能有效的起到过温预警作用，由其在电缆接点处这样的事故易发点，如发生瞬时性的爆炸损坏，测温系统也能起到一个定位报警的作用，使维护人员能尽早查找到事故点修复，迅速恢复电力的生产，减少损失。
關键词：光纤传感器；分布式测量；拉曼散射；温度；电缆温度监测、宜昌温设备使用情况报告
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。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。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电缆及接点上，向低电位侧传输温度信号，实现电缆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电缆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；Bri llouin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Stokes分量和Anti—Stokes分量对称位于入射光谱的两侧，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。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%/℃和0.36%/℃，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。
1.2光时域反射测量原理
考虑到Raman频移较大，当入射光波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222Z=VXt，V=C/n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，考长为1550nm时约为100nm。通常采用双通道、双波长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.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，光源使用1550hm 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。
3.光纤传感测温系统在宜昌风电的应用
3.1.技术参数
3.1.1.主机的安装
主机可安装在控制室进行远程操作。
3.2光纤的铺设
光纤沿电缆铺设，绑扎在电缆上，每隔一米绑一个扎带，确保光纤与电缆的接触良好，以便准确的感应到电缆的温度变化。在电缆接头处采取加强监测，预留一个十米长的光纤，绕成圆，然后绑扎在电缆上，
4.设备事故分析
4.1.电缆爆炸事故
2015年11月15日晚21点39分湖北宜昌百里荒变电站停电，经检查原因是由于电缆被击穿导致的，而在电缆被击穿的过程中电缆肯定会有温度变化，及电缆表面温度会有所上升。本套分布式感温系统的主要作用就是检测电缆表面温度，但本套设备在电缆击穿的过程中，并未在该点产生报警，对于这种现象，经过检查、分析、研究，总结出以下结论。
根据设备记录，可以调出一天电缆被击穿点的温度变化曲线。
根据曲线可以判断当天上半夜温度很明显比下半夜的温度的平均值较高，这主要是因为，上半夜用电量比较大，导致电缆负荷较大，温度会有所上升。并可以看出在午时电缆温度也会有所上升，这主要是因为，午时环境温度比较高，其电缆温度会有所上升。由此可以看出外景环境温度的变化以及用电量的大小都会影响电缆温度本身的变化。而本套分布式感温系统能真实反映以上两种情况的温度变化，并做出采集，并且可以看出，该点在一天的温度变化并没有大的起伏，从而确认本套系统设备能够真实采集电缆温度，反映电缆温度变化。
4.2光纤断裂检测报警
当系统识别到的光纤长度小于之前铺设完成的光纤长度之时，系统就会发出报警。2016年3月11日8：36分，系统检测到2通道6000米处光纤断裂；2016年3月18日15：01分检测到1通道在2536米处断裂。
经宜昌风电维护人员到现场检查发现断裂处均是由施工导致，外部人员所用挖掘机由电缆盖板上方压过，不仅压断盖板，压断光缆，还对电缆造成一定安全隐患。
断点位置与实际位置误差分析：由于光纤在每个电缆接点处要多预留10米长度加强监测，测温主机里也有70米的预留，加上计算里程也会产生一定误差，但总体来说光纤的长度要比实际里程上的长一些。误差在10%左右，对实际巡检提供有效的指导。
5、结论
光纤断裂事故较好的反映了本测温系统的灵敏度及实用性。随着外界温度的变化，测温系统能准确识别到，当光纤所处的环境温度达到预设的报警温度时，能给出及时的预警作用。而从光纤断裂这一事故中，体现了光纤传感测温系统的另一个作用：对电缆所处环境遭到破坏时，也能起到一定的预警作用，系统报警所提供的位置信息方便维护人员及时到达现场检查，如施工等人为因素对电缆造成了损坏也能提供一个依据。在百里荒风电场这样总电缆铺设长度接近40公里，且绝大部分电缆属于地埋或沟道中，对维护人员的巡检造成很大的不便，安装一套光纤测温设备能有效的起到过温预警作用，由其在电缆接点处这样的事故易发点，如发生瞬时性的爆炸损坏，测温系统也能起到一个定位报警的作用，使维护人员能尽早查找到事故点修复，迅速恢复电力的生产，减少损失。