拉曼光纤测温原理及在电力系统中的应用
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第 ２ 第 ３期 ６卷
２１ ０ ０年 ３月
电 力
科
学
与
工
程
Ｖ０． ６． ． Ｉ ２ Ｎｏ ３
Ｍａ ．２ ０ ｒ， ０１
Ｅｌｃ ｒｃ Ｐｏｗｅ ｃｅ ｅ ａ ｇ ｎｅ ｒｎ ｅ ｔ ｉ ｒ Ｓ ｉｎｃ ｎｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｇ
拉 曼 光 纤测 温原 理 及在 电力 系统 中的应 用
作者简介 ：孙 国善 （９ ９一 ，男 ，硕士研究生 ，研究方向为分布式光纤传感 ，Ｅ ｍ ｉ ｓｎｕｓａ８ ｏ ｕ ｃｒ。 １７ ） － ａ ： ｕｇｏｈ ｎ＠ｓｈ ．ｏ ｌ ｎ
第 ３期
孙 国善 ，等 拉 曼 光 纤 测 温 原 理 及 在 电 力 系 统 中 的 应 用
２ ７
由式 （ ）可 得到局 域处 的温度 为 ７
到光 电检 测器 和主放 大器 中进 行光 电转 换 和放 大 ，
了 Ｉ 寺 一 ＿ ＝一
式 。
而］ Ｊ
㈣ 此时数 据采 集 卡将 传 感 光 纤 各 点散 射 回来 的光 电
和平均 等数 据 处理 。最 终 由计 算 机 通 过 编 译 好 的 软 件进 行温度 解调 和显 示 。
关 键 词 ：拉 曼散 射 ； 温度 ； 电气设 备 ； 电力 系统
中图 分 类号 ：Ｔ ２２ ９ Ｐ １．
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｎ ＝ ｄＮｅ ［ （０ ）］ （ ） （） 。 Ｋｓ ｅ ｐ 一 ＋ Ｌ 。Ｔ ２ ｘ ０ 引 言
式中： ， 分别 为 与光 纤斯 托 克斯 和 反斯 托 克 斯散射 截 面有 关 的系 数 ；Ｓ为 光纤 的后 向散 射 因 分布式光 纤 测 温系 统是 近 年发 展 起来 的一 种 子 ； ， 分别 为 斯 托 克 斯 和 反 斯 托 克斯 散 射光
为光纤待 测局域 处 的长 度 ；Ｒ （ ） ） 分 别 Ｔ ，Ｒ （
因而其 应 用领 域 十 分广 泛 。 目前 ，发 电ห้องสมุดไป่ตู้ 、变 电 为 与光纤 分子 低能 级 和 高能 级 上 的 布局 数有 关 的
站 、冶金 、石化等企 业 的电力 电缆 、高压开关 柜 、 系数 ，它 们 与 光 纤 局 域 处 的 温 度 有 关 。Ｒ （ ， ）
（ ）变 为 ５
泵浦 光注 入光 纤 后 ，其部 分 能 量转 为 拉 曼 散
射 光 ，当泵 浦光 的能 量 小 于 阈值 时 ，光 纤 分 子 的
热 平衡没有 被破 坏 ，这 种拉 曼 散 射 叫 自发 拉曼 散 射 ，在光纤 ￡处 的斯 托克斯 散射光 子数为
而 ｒｌｐ ） （－…（ ￣ｔ。 ｅ 一。ｔＪ ｆ ｘ ｏ 【） ｘ ｐ 口ｓ６ ［ ）ｏ Ｌ 。ｌ ｐ
将信 号放 大到数 据采 集卡 能够 有效 采集 的范 围上 。
式 （ ） 为典 型 的用 斯托 克斯 散射 Ｏ Ｄ ８ Ｔ Ｒ曲线解 调 信号进 行 采 集 和 存 储 ，产 生 一 条 光 纤 温 度 曲线 ， 反 斯托 克斯散 射 Ｏ Ｄ 曲线 的 被测 温度 的表 达 并等待 后续 光 脉 冲产 生 的 散射 光 电信 号 进 行 累 加 ＴＲ
孙 国善 ，侯 思祖 ，陈 超
（ 北 电力 大 学 电气 与 电 子工 程 学 院 ，河北 保 定 ０ １０ ） 华 ７０ ３
摘要 ：分布式光 纤测温在 电力系统得到普遍应用。首先介绍 了拉 曼分布式光纤传感器的工作原理和 结构 ，
进 行 了温度 传 感 实验 。 最后 介 绍 了该传 感 器在 电 力 系统 的应 用 ，给 出 了一 个检 测 电 缆 温度 的应 用 实例 。
１ ２分 布式 测量原 理 ．
当激 光脉 冲在 光 纤 中传 输 时 ，由于 光 纤 中存 在 折射率 的微 观 不 均 匀 性 ，会 产 生 散 射 。在 时 域 ２ 温 度 传 感 实 验 里 ，入射 光经 后 向散 射 返 回 到光 纤 入 射 端 所 需 时 按 照 图 １ 确连 接整个 系统 后 ，在光纤 ６ ０ｍ 正 ０ ２ ・， Ｌ＝ ｔ 为光在 光 纤 中传 播 速度 ， ＝Ｃ ｎ ／ ；Ｃ为 和 １ ０ 处绕 制 ５ ０ｍ ０ ０ｍ光 纤环 ，分别 加热 至 ７ ０℃ 真 空 中的光 速 ；ｒ 为 光 纤 折 射 率 。在 测 得 时 刻 ｔ 和 ８ ｔ ０℃并保 持温 度恒 定 ，原始 Ｏ Ｄ Ｔ Ｒ信号 曲线和 时 ，就可 求 得 距 光 源 三处 的距 离 ，即定 位 距 离 。 温度 解调 曲线 如 图 ２ ，３所示 。符 合实 际 预设 温度 而接 收光 功 率 公 式 可 表 示 为 时 间 函 数 ，即 Ｐ（ ） 值 ，经 反 复实 验∞ 如 工 作如 定 ，测 温 准 ，可 ｔ ０确 ，系统 们 稳 ０５Ｓ Ｅ ｅｐ ｔ ．ｖＦ 。ｘ （一 ），其 中 Ｓ为 后 向散 射 因 用 于实 际温度测 量 。
发电机 、 大功率高压 电动机等设备的故障隐患往 往 伴随着设 备关 键 部位 的温 度升 高 ，所 以过 热 监 测是 故障预警 的有效 手段 。随着光纤 技术 的发 展 ，
光纤 传感技术 在 电力 设 备故 障 检测 中的应 用 得 到
了逐 步推广 ，其 中分 布式 光 纤测 温 技 术彻 底 解 决
用 于实时测量 空 间 温度 场 分 布 的传 感 系统 ，由于 子频 率 ；ｎ ，ａ，ａ 分 别 为 人 射 光 ，斯 托 克斯 散 。 。 系统 具有 防燃 、防爆 、抗 腐蚀 、抗 电磁 干 扰 、耐 射 光和反斯 托 克斯散射 光频率 的光纤 传输 损耗 ；Ｌ 高压 、能实 现 实 时 快 速 多 点 测 温 并 定 位 等 优 点 ，
（ 分别 为 ）
Ｒ ） ｅ（ ｓ： ｘ （ ｐ
（ ３ ）
尺 ）Ｅ（ 一 一 。 ＝ｘ￣１ ］ （ ｅ ｐ １
（ ４ ）
了困扰 电力 设 备运 行 中过 热监 测 的难 题 ，可 实 现 式 中 ：ｈ为普 朗克常量 ； 为玻尔 兹曼 常量 。实 际 测 量 时 ，可用 光纤 的斯 托 克斯 散 射 Ｏ Ｄ 曲线 解 ＴＲ 对 电力设备 故 障发 热 敏 感部 位 温 度 的准 确 、实 时 调 光纤 的反斯托 克斯散射 Ｏ Ｄ Ｔ Ｒ曲线 ，此时有 在 线监测 和故障预 警 、精确 定位 ¨ 。
１ 分布 式 光 纤测 温原 理
１ １ 温度 测量原 理 ．
丽 【 ｐ １ｐ一 。ｏＬ （ Ｊｘ Ｊ （ ｌ Ｊ５ ｅＩ ｅ［ － ） ） ｘ ， ） … Ｊ
：
当利用式 （ ）进 行温 度测 量 时 ，可用 Ｔ：７ ５ ０
的起始 温 度 来 确 定 被 测 光 纤 上 各 点 的 温 度 ，式
： －
一
．
式 （ ） ６ 相除 ，得 ５ ，（ ）
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在光纤 处 的反斯托 克斯散射 光子数 为
收稿 日期 ：２０ ０ ９—１ ２ ０—１ 。
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２１ ０ ０年 ３月
电 力
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工
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拉 曼 光 纤测 温原 理 及在 电力 系统 中的应 用
作者简介 ：孙 国善 （９ ９一 ，男 ，硕士研究生 ，研究方向为分布式光纤传感 ，Ｅ ｍ ｉ ｓｎｕｓａ８ ｏ ｕ ｃｒ。 １７ ） － ａ ： ｕｇｏｈ ｎ＠ｓｈ ．ｏ ｌ ｎ
第 ３期
孙 国善 ，等 拉 曼 光 纤 测 温 原 理 及 在 电 力 系 统 中 的 应 用
２ ７
由式 （ ）可 得到局 域处 的温度 为 ７
到光 电检 测器 和主放 大器 中进 行光 电转 换 和放 大 ，
了 Ｉ 寺 一 ＿ ＝一
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和平均 等数 据 处理 。最 终 由计 算 机 通 过 编 译 好 的 软 件进 行温度 解调 和显 示 。
关 键 词 ：拉 曼散 射 ； 温度 ； 电气设 备 ； 电力 系统
中图 分 类号 ：Ｔ ２２ ９ Ｐ １．
文 献 标 识 码 ：Ａ
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式中： ， 分别 为 与光 纤斯 托 克斯 和 反斯 托 克 斯散射 截 面有 关 的系 数 ；Ｓ为 光纤 的后 向散 射 因 分布式光 纤 测 温系 统是 近 年发 展 起来 的一 种 子 ； ， 分别 为 斯 托 克 斯 和 反 斯 托 克斯 散 射光
为光纤待 测局域 处 的长 度 ；Ｒ （ ） ） 分 别 Ｔ ，Ｒ （
因而其 应 用领 域 十 分广 泛 。 目前 ，发 电ห้องสมุดไป่ตู้ 、变 电 为 与光纤 分子 低能 级 和 高能 级 上 的 布局 数有 关 的
站 、冶金 、石化等企 业 的电力 电缆 、高压开关 柜 、 系数 ，它 们 与 光 纤 局 域 处 的 温 度 有 关 。Ｒ （ ， ）
（ ）变 为 ５
泵浦 光注 入光 纤 后 ，其部 分 能 量转 为 拉 曼 散
射 光 ，当泵 浦光 的能 量 小 于 阈值 时 ，光 纤 分 子 的
热 平衡没有 被破 坏 ，这 种拉 曼 散 射 叫 自发 拉曼 散 射 ，在光纤 ￡处 的斯 托克斯 散射光 子数为
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式 （ ） 为典 型 的用 斯托 克斯 散射 Ｏ Ｄ ８ Ｔ Ｒ曲线解 调 信号进 行 采 集 和 存 储 ，产 生 一 条 光 纤 温 度 曲线 ， 反 斯托 克斯散 射 Ｏ Ｄ 曲线 的 被测 温度 的表 达 并等待 后续 光 脉 冲产 生 的 散射 光 电信 号 进 行 累 加 ＴＲ
孙 国善 ，侯 思祖 ，陈 超
（ 北 电力 大 学 电气 与 电 子工 程 学 院 ，河北 保 定 ０ １０ ） 华 ７０ ３
摘要 ：分布式光 纤测温在 电力系统得到普遍应用。首先介绍 了拉 曼分布式光纤传感器的工作原理和 结构 ，
进 行 了温度 传 感 实验 。 最后 介 绍 了该传 感 器在 电 力 系统 的应 用 ，给 出 了一 个检 测 电 缆 温度 的应 用 实例 。
１ ２分 布式 测量原 理 ．
当激 光脉 冲在 光 纤 中传 输 时 ，由于 光 纤 中存 在 折射率 的微 观 不 均 匀 性 ，会 产 生 散 射 。在 时 域 ２ 温 度 传 感 实 验 里 ，入射 光经 后 向散 射 返 回 到光 纤 入 射 端 所 需 时 按 照 图 １ 确连 接整个 系统 后 ，在光纤 ６ ０ｍ 正 ０ ２ ・， Ｌ＝ ｔ 为光在 光 纤 中传 播 速度 ， ＝Ｃ ｎ ／ ；Ｃ为 和 １ ０ 处绕 制 ５ ０ｍ ０ ０ｍ光 纤环 ，分别 加热 至 ７ ０℃ 真 空 中的光 速 ；ｒ 为 光 纤 折 射 率 。在 测 得 时 刻 ｔ 和 ８ ｔ ０℃并保 持温 度恒 定 ，原始 Ｏ Ｄ Ｔ Ｒ信号 曲线和 时 ，就可 求 得 距 光 源 三处 的距 离 ，即定 位 距 离 。 温度 解调 曲线 如 图 ２ ，３所示 。符 合实 际 预设 温度 而接 收光 功 率 公 式 可 表 示 为 时 间 函 数 ，即 Ｐ（ ） 值 ，经 反 复实 验∞ 如 工 作如 定 ，测 温 准 ，可 ｔ ０确 ，系统 们 稳 ０５Ｓ Ｅ ｅｐ ｔ ．ｖＦ 。ｘ （一 ），其 中 Ｓ为 后 向散 射 因 用 于实 际温度测 量 。
发电机 、 大功率高压 电动机等设备的故障隐患往 往 伴随着设 备关 键 部位 的温 度升 高 ，所 以过 热 监 测是 故障预警 的有效 手段 。随着光纤 技术 的发 展 ，
光纤 传感技术 在 电力 设 备故 障 检测 中的应 用 得 到
了逐 步推广 ，其 中分 布式 光 纤测 温 技 术彻 底 解 决
用 于实时测量 空 间 温度 场 分 布 的传 感 系统 ，由于 子频 率 ；ｎ ，ａ，ａ 分 别 为 人 射 光 ，斯 托 克斯 散 。 。 系统 具有 防燃 、防爆 、抗 腐蚀 、抗 电磁 干 扰 、耐 射 光和反斯 托 克斯散射 光频率 的光纤 传输 损耗 ；Ｌ 高压 、能实 现 实 时 快 速 多 点 测 温 并 定 位 等 优 点 ，
（ 分别 为 ）
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１ 分布 式 光 纤测 温原 理
１ １ 温度 测量原 理 ．
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当利用式 （ ）进 行温 度测 量 时 ，可用 Ｔ：７ ５ ０
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收稿 日期 ：２０ ０ ９—１ ２ ０—１ 。
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