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203 光纤测温现状及应用前景 Chaoyang Hao, Jiaqiang Lian, Hongbo Zhang (山东泰开电气有限公司, 山东泰安 271000) O 引言 大型电机、变压器、高压电缆等高电压型电气设备是电力系统中的关键设备。 设备的安全性、可靠性和使用寿命对整个系统的安全可靠运行和寿命至关重要。 这些高压设备大多采用封闭式结构，长期在高压、大电流、强磁场环境下工作，导致热量积聚。 发热和温度升高增加了系统的损耗。 如果散热不好，会危及设备的正常运行，甚至引起故障。 造成的不良社会影响和经济损失难以估量。 光纤传感技术是现代通信的产物，是随着光纤和通信技术的发展而逐渐发展起来的一项全新技术。 在光传输过程中，光纤容易受到外界环境的影响，如温度、压力等，导致传输的光强、相位、频率、偏振态等光波量发生变化。光。 通过监测这些量的变化，得到相应的物理量。 光纤传感器测温系统采用光学原理的传感器元件和光信号传输通道。 具有良好的电磁不灵敏性，可靠稳定，易于安装在狭窄的高压设备内。 能很好地适应高压大电流检测环境。 解决了电、压、红外测温系统的不足。 构成光纤传感器温度探头的材料具有优异的绝缘性能、化学和机械性能，特别适用于高压环境，不会对大型系统产生负面影响。

光纤传感器可以为监控系统提供更准确可靠的温度值，让设计人员准确掌握温度对设备的影响，从而将风险准确控制在安全范围内。 1 光纤测温现状 目前，市场上光纤测温的实现方式主要有两种：一种是基于拉曼散射的光纤测温；另一种是基于拉曼散射的光纤测温。 另一种是基于光纤布拉格光栅的光纤温度测量。 基于拉曼散射的光纤测温硬件系统规模较大，目前最大可测距离为30公里。 软件处理算法比较复杂，系统成本较高。 因此更适用于大型系统，如电缆测温、地铁、隧道等油井动态智能监控等。基于光纤布拉格光栅的测温系统可大可小，可用于对于点测或分布式测量，成本可高可低，应用相对灵活。 目前，它主要用于较小系统的温度监测。 从2002年开始，神变公司就开始尝试在变压器中使用光纤传感器进行温度测量，并在多台出口美国的大型变压器上成功进行了商业应用。 目前运行良好，成为国内首例实际应用。 设备制造厂。 目前，光纤测温系统的技术成熟度和产品化程度比过去几年有了很大的提高，价格也下降了数倍。 该技术大规模应用于高压电器温度监测的时机已经成熟。 针对光纤测温新技术在高压电器温度监测监控中的应用，国家电网公司、电力设计院专家关注并呼吁国家监管部门机构、设备制造商、发电和输变电企业，以及科研机构积极推动这项技术的推广应用。

1.1 应用领域 （1）在电力系统中的应用 电缆过热监测：根据电力事故分析，电缆过热故障引起火灾，导致大面积电缆烧毁，强制停产，短时间内无法恢复生产时间，造成重大经济损失。 大多数具有过热接头的电缆是 6 kV 以上的高压电缆。 由于电压等级高，传统的温度传感器无法满足安全要求。 因此，光纤测温系统是监测高压带电设备过热故障的最佳选择。 2010年毕业论文高低压开关柜的温度监测：发电厂、变电站中的高压开关柜是重要的电气设备。 设备在长期运行过程中，由于老化或接触电阻过大光纤光谱仪的优缺点?，开关柜内的触头和母线的连接处会发热。 由于无法实时监控这些发热部位的温度，极易造成设备烧毁或突然断电。 等一个意外。 近来，通过监测敞开式母柜中触点温度的动作，可以有效预防封闭式母柜火灾的发生。 但由于开关柜内高压开关柜结构较小，无法进行人工巡检和测温。 因此，实现在线温度监测是保证高压开关柜安全运行的重要手段。 电力变压器监控 从安全的角度来看，在不同的外部温度下以不同的容量运行的变压器。 其绕组的热点温度不能超过绝缘材料耐热等级所允许的最高热点温度值。 例如，油浸式转换器的热点温度极限为140℃。 如果绕组热点温度超过此温度，部分油会因裂解而产生气体。 绝缘材料的性能随之降低，导致因气体或绝缘击穿而发生事故。

在变压器等高压设备内部热点附近埋设光纤温度传感器，通过多个传感器探测绕组等设备内部热点温度是未来的发展趋势。 (2) 适用于石化行业的应用]油气管道； 化工企业试验c体管道泄漏测量及大型油气密封储罐的温度和泄漏监测。 (3)在大型复杂材料和混凝土结构健康监测中的应用H{在桥梁、矿山、船舶、航天器、地铁、隧道、智能建筑的应变温度分布等参数健康监测中的应用。 (4) 其他地下车库、危险品仓库、粮仓等临时测温、火灾报警； 温度分布及变化； 检查废水、水处理现场密封层渗漏I2市场现状因技术产品成熟度和成本等原因。 目前市场上还没有可靠的技术和成熟的产品能够满足高压电气设备的在线温度监测。 目前，这些设备一般都没有热点测量系统，即使采用传统的铂电阻温度计进行温度测量。 由于器件本体的可靠性、稳定性、高压绝缘、电磁干扰等先天缺陷，对系统的损坏程度高，误报严重，且往往不可更换。 致使发电、输变电系统严重事故的检测、预防和监测缺乏可靠、稳定的技术手段。 光纤温度传感系统成熟商品化问市场。 填写 nl 市场房子白色。

在此，目前市场上比较成熟的几种基于拉曼散射的光纤测温系统：（1）上海都芒科技的分布式光纤测温系统Dya-lite等系列，包括国外进口的II和国产的酶，测温距离可达30公里，价格在几十万左右（见图1）。 测量n系统rrrs (2)北京星地分布式光纤测温系统c． rM 4000，山德LIOS公司'j西门子联合开发，北京星地成套。 它使用光纤频域反射计 (OFDR)，该技术已开发为沿光波导的长度具有几毫米的分辨率（见图 2）。 (3) 山东微感光电有限公司MS DTS xN系列光纤测温系统（见实3）。 1jij、基于光纤布拉格光栅的有偿光敏电子MSDn XN测温系统(1)1． 海博汇通信科技有限公司的光纤布拉格光栅解决方案快易IS 7000（见调侃4）。 Circle 4 光纤光栅解调器 Is 7000 (2) 哈尔滨泰达科技有限公司高速多通道光纤光栅解调器TFBGD-9000（见静5）。 光纤传感技术的应用可以大大提高输变电设备的安全可靠性，提高设备的运行效率，减轻人员的劳动强度。 随着市场认知度的提高、成熟产品的推出、设计制造工艺的改进、行业标准的逐步建立，光纤传感器技术在高压电气温度监测领域的广泛应用前景装备是毋庸置疑的。

目前，光纤测温系统的技术成熟度和产品化程度与几年前相比有了很大的提高。 而且价格也翻了一番。 当它达到一定数量时，其成本不会比常规测温设备高很多，特别是与变压器、晶闸管阀等大型设备安装时。 成本可以忽略不计。 成为维维用户的最佳选择。 这项技术广泛应用于高压电器温度监测的时机已经成熟。 目前在我国实际应用还很少，但在高压输变电领域非常值得推广应用。 还值得注意的是。 _l 匕首光纤传感器在温度监测方面不是仪表，在测量其他参数如压力、浓度和成分等方面已经日趋成熟，可以广泛推广。 目前，光纤传感器的种类很多。 或许在不久的将来，光纤传感将占据监控领域的半壁江山。 3 技术概述 3I 基于拉曼散射的光纤测温 基于拉曼散射的光纤测温俗称分布式光纤测温系统(DTS)，是一种实时测量空间温度场分布的传感器系统。 它使用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤背拉曼（血液拉曼）散射光谱的温度效应来测量光纤的温度场信息，利用光时域_}{j 光纤反射（OTDR）技术定位测量点。 由于该系统具有本质安全、耐腐蚀、耐高压、抗电磁干扰、快速多点测量定位等优点，其应用领域非常广泛。

目前已应用于石油工程、电站、矿山隧道等。 大坝等区域的温度监测。 (1)测温原理光纤测温原理是基于后向拉曼散射效应，激光脉冲与光纤分子相互作用产生散射。 散射有很多种。 如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。 其中，拉曼散射是由于纤维分子的热振动，产生波长比光源长的光，称为斯托克斯（Stok）光，波长比光源短的光，称为斯托克斯（Stok）光，称为反斯托克斯。 安利-斯托克斯光。 反斯托克斯光信号的强度与温度有关，而斯托克斯光信号的强度与温度无关。 从光导中任一点的反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号强度的比值可以得到该点的Tox光信号强度： 上式是分布式光纤温度测量的重要理论基础。 但是，上述公式仍然存在两种不同波光的衰减差异和输变电年会 20lo会议记录探测器对两种波长光信号的响应差异，可以通过将校准区域设置在实际测量系统，即一段恒温光纤被用作参考光纤。 设其温度为瓦特，go = one go[ Fu R(ro) + 4fn(cut (3) special = go to go [In that) a In R(ro)] (4) 其中：h为普朗克常数； K 是玻尔兹曼常数： Is 是斯托克斯光强度； 1. s为反斯托克斯光强； c是真空中的光速； ‰为入射光频率； T为绝对温度； To为恒温槽的校准温度。

上式中：To已知，可以计算出冗余（死亡），可以测出R（r），从而可以计算出r。 (2) 定位原理测量点的空间定位是通过OTDR技术实现的，其原理如图8所示，激光脉冲从光纤的起点F处注入，大部分脉冲可以传递到末端光纤的反射消失，但一小部分后向散射光会沿光纤反射回来。 假设在光纤中£处的后向散射光返回到入射端F所需的时间为t/2，则：2L:V。 t：旦尼尔 tn 其中：£是距离，m； t是时间，8； y 是光在光纤中传播的速度； c为光速，m/s； n 是光纤的折射率。 注入光脉冲JL-传输光纤 图8 分布式光纤后向散射原理图（三）系统框图 标定光纤感温光纤 图9 光纤测温系统框图（四）技术要点与难点 激光源控制: 据资料显示，本系统中的脉冲激光信号对发射间隔有要求，信号功率和波长如何确定和控制，温度对激光源发射的光信号影响很大。 如何控制制冷机使激光器稳定工作也是一个特别重要的问题； 恒温浴的实现：根据系统要求，第一段光纤必须在恒温浴中，需要考虑在实验室和工程中如何实现恒温浴和恒温控制哪个温度点； 温度分析：系统中所需的光纤耦合器、光滤波器、光电探测器等光器件对我们来说都是空白，它们的选型、安装、控制转换关系是一个难点； 空间定位：定位与AD转换率和时序密切相关。 定位精度越高，转换率越高，时序控制越严格。

3.2 基于光纤布拉格光栅的光纤测温光纤布拉格光栅是通过一定的方法周期性地调制光纤纤芯的轴向折射率而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器器件。 目前主要有布拉格（FBG）光纤布拉格光栅和长周期光纤布拉格光栅。 光纤布拉格光栅具有体积小、熔接损耗低、与光纤完全兼容、可嵌入智能材料等优点，其谐振波长对温度、应变、折射率等外界环境的变化敏感光纤光谱仪的优缺点?，专注。 因此，光纤在通信和传输传感领域得到了广泛的应用。 在通信领域，有光纤滤波器、色散补偿器、光纤激光器、波分复用系统等。 在传感领域，有：单参数传感，主要指温度、应变、浓度、折射率、磁场、电场、电流、电压、速度、加速度等参数的测量； 多参数传感：利用光栅级联，通过测量共振波长、振幅、偏振态或其他参数的变化，实现多参数测量； 光纤光栅的应用还可以实现毫米级空间分布的测量。 (1)测温原理目前用于测温的光纤布拉格光栅多为光纤布拉格光栅。 当一束宽带光谱通过布拉格光栅时，光纤布拉格光栅返回一束单色光，通过传输电缆传输到调制解调器，测量窄带光的波长。 确定现场温度。 当现场温度稳定时，系统返回的窄带光的中心波长也不变； 当现场温度发生变化时，系统返回的窄带中心波长会相应发生变化，从而达到准确测量现场温度的目的。

光纤光栅返回单色光的波长 A。 满足下式： A端口=2nA 其中：A.为布拉格波长； n 为有效折射率； 那就是光栅周期。 当温度发生变化时，会引起n和 相应的变化，从而产生A。通过检测漂移可以得到温度信息。 (2) 系统框图 图10 光纤布拉格光栅测温系统框图 (3) 技术要点与难点 @DFB 激光源控制：DFB 激光源产生的光的波长与驱动光源的电流和光源本身的温度，所以必须严格控制光源的驱动电流和温度； 中心波长偏移检测：光纤光栅的温度测量是基于光栅的中心波长偏移，中心波长偏移检测的准确性直接影响测量精度； 对于多光栅串联系统，光栅定位也是一个难点。 4 结束语 光纤传感技术产品的特点非常突出，特别适用于高压电气设备的温度监测。 与传统技术相比，优势十分明显，可为输变电和发电行业带来直接效益。 一项已全面推广的新技术。 目前，制约光纤传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调。 正在研究的解调方法很多，但能够实际应用的解调产品并不多，而且价格也比较高。 其次，光纤传感器应用中的其他问题也很严重（1）由于光源带宽有限，应用一般要求光栅的反射光谱不能重叠，因此可重复使用的光栅数量为有限的。

(2)如何实现复合材料多轴应变的同时测量，从而再现被测对象的多轴应变形貌。 (3)如何实现大规模、高精度、快速和实时测量。 (4) 如何正确区分光栅的波长变化是温度变化引起的还是应力引起的应变等。有效解决上述问题对于实现低成本、稳定、高分辨率、大测量范围和多光栅复用传感系统，这些都是未来需要开发的。 总之，光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，具有非常广阔的发展前景。