分布式光纤测温系统研究及其在变配电所中的应用

柴书明

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350）

分布式光纤测温系统研究及其在变配电所中的应用

柴书明

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350）

针对铁路变配电所电气设备由于接续不良等原因造成的运行温度过高，引发事故隐患这一问题，归纳总结了目前电气设备常用的测温方法，分析了各种测温方法的优缺点，对分布式光纤测温的基本原理及其特点进行了研究，并介绍了现场应用实例及其效果。

电气设备；测温；分布式；光纤

在电气化铁路牵引供电系统中，高压开关柜电气接点过热、高压电缆特别是电缆中间头过热、变压器过热等是常见的事故隐患，如不能及时发现和处理，会引发爆炸与火灾等恶性事故，严重影响电气化铁路正常的运输生产。因此，采用先进可靠的技术，对高压开关柜电气接点、高压电缆及中间头等设备的温度实时在线监测和预警，及时掌握各被监测对象的故障趋势，进行智能分析，准确定位，对指导电气设备检修工作，减少非计划停电，降低运行成本，防止发生火灾等恶性事故，保障铁路运输安全具有重要的意义。

1 常用的测温方式

（1）测温贴片：其机理各种各样，但都是物体受热后发生一系列化学和物理变化，由分子构造的改动，导致反射光的颜色发作转变，例如晶型转化、升华、掉水、氧化、分化惹起光散射的频带转移。将测温贴片贴于被测节点上，当被测点的表面温度达到测温贴片的标定温度时，测温贴片的颜色将发生变化，从而指导值班员或巡检人员进行检修。这种方式的优点是简便易行，测温成本比较低廉，缺点是无法判断温度变化的趋势，测温贴片长期暴露于露天场合，本身易于蒙上一层灰尘，靠巡视人员的视力不易观察贴片颜色的变化，需定期擦拭或更换贴片。

（2）红外测温仪：红外测温仪的测温原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度。红外测温技术目前已发展到可对有热变化表面进行扫描测温，确定其温度分布图像，这就是红外热像仪。测温时由测温人员手持测温仪对准被测点进行测温，直接读取被测点温度。这种方式的优点是测量范围大，准确度高，缺点是设备昂贵，且需大量人力进行定期巡测，无法实现温度的实时在线监测。

（3）电气节点温度在线监测系统：其原理是在被测电气节点上吸附粘贴等电位无线传感检测探头，通过热敏元件将实时温度信号经信号识别处理后，由射频模块发送到接收机站及监控中心，实时显示电气节点的温度。优点是自动化程度高，可以实时在线监测电气节点的温度及其变化，缺点是只能测量电气节点的温度，无法适应需连续测量如电缆全长的温度。

2 分布式光纤测温系统

2.1 基本原理

分布式光纤测温系统是基于目前世界最先进的分布式光纤传感与控制技术研制开发的测温预警系统。其工作原理是利用光在光导纤维中传输时产生的自发喇曼（Raman）散射和光时域反射（OTDR）原理来获取空间温度分布信息的。

光纤呈圆柱形，它由SiO2玻璃纤维芯（纤芯）、玻璃包皮（包层）和外部保护层组成（见图1）。

当在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲时，激光在光纤中向前传播的同时，自发产生喇曼散射光波，喇曼散射光波的强度受所在光纤散射点的温度影响而有所改变，通过获取沿光纤散射回来的背向喇曼光波，可以解调出光纤散射点的温度变化。同时，根据光纤中光波的传输速度与探测时间的物理关系，可以对温度信息点进行定位（见图2）。

分布式光纤测温系统涉及的技术包括高频脉冲激光技术、光纤喇曼光谱技术、光波分复用技术、光时域反射技术、高频信号采集技术、微弱信号处理技术、计算机数据处理技术、计算机网络与通讯技术等。

由于背向喇曼散射光波的强度非常微弱，因此，需要采用先进的高频信号采集技术和微弱信号处理技术，经过光学滤波、光电转换、放大、模数转换后，送入信号处理器，解调出光纤各测温点的温度值；然后，将采集的温度数据传送到计算机系统进行数据处理，通过组态软件展示各测温点的温度值和变化状态。当某一被监测点的温度超过系统设定的报警预定值时，自动启动报警装置通知值班人员处理。另外，通过计算机网络可以实现远程数据共享（见图3）。

2.2 系统结构

分布式光纤测温系统结构比较简单直观，该系统主要由温度传感光纤、测温主机（分布式光纤测温仪）、计算机监控系统和预警系统4大部分组成。根据需要，可以采用多台测温主机进行组网，扩大测温范围。

系统结构图如图4。

2.3 系统特点

分布式光纤测温技术具有连续分布、本质安全、测温精确、耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点。它与以电为基础的温度传感技术有本质的区别，也与以光栅作为温度传感器的测温技术有很大的不同。

分布式光纤测温技术的优势表现在以下方面

（1）连续性

分布式光纤测温系统是基于一条（或多条）几公里长的光纤作为测温媒质的。整条光纤既是温度传感器（相当于光纤上的每一点都是温度传感器），又是温度信息的传输载体。因此，与用点式传感器作为测温元件的技术相比，其最大的技术特色是它能够分布式测温，即测得光纤敷设沿线任意一点的实时温度，可以灵活地测量点、线、面上的温度分布。

（2）扩展性

由于光纤的连续分布测温特点，使得其非常容易扩展监测区域。与点式传感器的测温方式不同，它不会受到单通道最大布设探测器数量的限制。当用户希望在光纤敷设沿线或在开关柜里多增加一些监测点时，很容易实现。

（3）安全性

光纤本质安全，良好的耐高压绝缘性能、憎水性能，使得其能够直接安装在高压带电体上进行接触式测温。另外，由于光信号不受任何强电磁场的干扰，保证了检测和传输的快速、灵敏、准确。此系统在测温现场无需其他电子设备，真正实现了无电检测，系统运行稳定可靠。

（4）易用性

分布式光纤测温系统所使用的光纤，在非人为损坏情况下，使用寿命长达20年以上。既使因设备检修造成了光纤损伤，更新的方式简单，成本低廉，这是其他传感器和传感技术所无法相比的。另外，系统采用了特有的分时回路技术和隔离技术，可以保证光纤检测线路上某一点出现故障时，在电气设备无法停电检修的情况下，不影响其他被监测设备的温度采集。

（5）可靠性

分布式光纤测温系统遵循行业、国家相关标准，可以保证产品的质量和系统运行的安全性、稳定性。该系统已通过中国计量科学研究院的技术检测，多项技术指标达到国际国内先进水平，所使用的绝缘光纤通过了中国电力科学院的高电压检测。目前，系统已应用于电力、电气化铁路、石化、广播电视等行业。

3 分布式光纤测温系统在肃宁北变配电所的应用

朔黄铁路肃宁北变配电所是牵引变电所和10 k V配电所合建所，其中牵引供电馈线7条，10 k V馈线12条，是朔黄线非常重要的一个变配电所。随着运量的增长以及运行时间的延长，设备老化发热问题比较突出。为了加强对电气节点的温度监测，2010年已安装电气节点温度在线监测系统，重点监测各种电气接续点的温度。为使电缆设备也纳入温度监测范围，防止火灾等突发性故障，2012年安装了分布式光纤测温系统，提高了全所电气设备的温度监测自动化水平。自投入使用以来，运行稳定，测温效果良好。

肃宁北变配电所分布式光纤测温系统由光纤测温仪、工业控制机、系统监控软件、测温光纤等组成。测温仪、工控机安装于变电所既有视频监测机柜内，测温光缆布设于室内外电缆沟内，将测温光纤绑扎在被测电缆上，布设方式采用两种，一种是大负荷重要电缆采用单独监测，一种是测温光纤在电缆支架上做蛇行敷设，同时监测多条电缆温度。对于电缆头需重点监测，光纤在电缆中间头的敷设方式见图5。光纤敷设完毕后，还需对测温区域进行位置标定，安装监控软件，设定预警温度。

4 结 论

（1）变电所电气设备测温有多种方式，各有所长，同时也都有其局限性，要根据实际情况选用不同的测温方式。

（2）分布式光纤测温系统在测温连续性、可扩展性、安全性、易用性、可靠性等方面具有比较突出的优势。

（3）肃宁北变配电所安装的分布式光纤测温系统与既有电气节点测温系统相结合，将电气节点测温和电缆测温纳入统一的温度监测系统，提高了设备运行温度的监测水平。

［1］ 匡绍龙，朱学斌.分布式光纤温度传感器原理及其在变电站温度监测中的应用［J］.电力自动化设备，2004，24（9）：79-81.

［2］ 李 军，卞 超，吴 珺.电力电缆光纤光栅测温在线检测系统［J］.江苏电机工程，2005，24（1）：6-8.

［3］ 刘明光电气化铁道高电压绝缘与试验技术［M］.成都，西南交通大学出版社，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，高级工程师（

2014－03－10）