拉曼光时域反射仪在多元电力设备中的应用探究.docx
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1、拉曼光时域反射仪在多元电力设备中的应用探究1研究背景在变电站中,变压器、开关柜、电抗器、避雷器、互感器、电容器、断路 器等电气设备都需要进行温度的实时在线监测1。这些设备在长期运行的过程 中,由于施工安装工艺和运行年限长的影响,会出现因老化或负载电流过大而 使电力设备发生温度异常升高的现象,容易产生安全隐患。为了让变电站安全 稳定地运行,需要对变电站中的各种电气设备进行温度监测,从而对电力设备 的运行质量作出判断,并做出相应的控制决策。在传统的电力设施测温方法中,有2种方法较为常见:一种是在电力设备 上安装无线的温度测量传感器,另一种则是通过红外测温仪进行非接触式的温 度测量。前者安装方便,自
2、动化程度高,但是也存在很多问题。无线测温装置 通常由感温器件和匹配的电子电路构成,难以抵抗电气设备中强磁场的影响, 给传感器的精确可靠测量带来了巨大的运行风险。而电气设备的温度往往会超 过电子器件的耐受程度,即使是军品级的器件也难以承受实际发生的温升。此 外,它的测量范围小,以点盖面,容易漏测发热部位。因此,无线测温传感器 不是变电站中电气设备测温的理想选择。对于红外测温装置,它的造价高,不 太适合在恶劣环境中使用,一般难以测量设备内部温度。而对于一个变电站而 言,要想实时在线监测各个设备的温度,大批量地使用红外测温装置也是不现 实的。与传统的测温传感器相比,近年比较流行的是基于光纤的测温方法
3、,其分 为2种,即点式光纤测温装置和全分布式的光纤测温装置。他们都是用光纤进 行信号的传输,温度的感知几乎不受电磁场的影响,因此非常适合对电气设备 进行温度监测。点式的光纤测温装置主要有2种,即在光纤端点匹配传感头和 将光纤光栅刻入光纤。而这2种方法都只能对电气设备进行点式测量,无法进 行全景测量;如果需要详细地感知电气设备的温度信息,往往需要布置很多的 节点,工程造价也会飙升。而分布式光纤测温装置利用背向散射光对光纤沿途 的温度进行测量,集温度的感知和信息的传输于一体,可实现超长距离的实时 监测;一次测量过程就可以获得整个光纤沿线的温度分布,一条长达数千米的 传感光纤就相当于成千上万的点式传
4、感器,平均下来单个测量点的温度信息获 取的费用非常低;测量温度范围宽,具有很高的分辨率和精度;在具有强电磁 干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下,分布式光纤温度传感 器具有无可比拟的优点。具体到分布式光纤测温装置,有基于布里渊散射和拉曼散射的2种测温方 式。相对于前者对于温度应变的交叉敏感、价格昂贵,后者要简单便宜的多。 总之,将拉曼光时域反射仪应用于电力设备的温度测量,既可应对极端的恶劣 环境,又具有轻便,安全、可靠、覆盖范围广等多种优点。2拉曼光时域反射仪的发展及其原理拉曼光时域反射仪的发展历史关于拉曼光时域反射仪的发展历史,国内的意见比较一致2-4。自从高银 博士预言可以利用
5、光在玻璃介质的传输进行通信后,光纤制造技术和光纤通信 技术迅速发展起来。为了检测光纤通信网络中光纤的损坏情况,人们尝试了很 多办法。1977年,BARNOSKI等基于光纤中的背向瑞利散射光发明了光时域反 射仪,简称“OTDR”,可以有效检测光信号在光纤传播中的衰减情况,进而可 以检测光纤的断裂;1985年,HARTOG等基于固态光纤研制出了具有较好适用 性的分布式光纤测温装置,即拉曼光时域反射仪;而英国的DAKIN则是将石 英光纤引入到拉曼光时域反射仪中,后期的拉曼光时域反射仪基本就是沿着这 个装置继续演进下去的。相比于国外对拉曼光时域反射仪的研究,国内的研究略微滞后。20世纪 80年代末期,
6、重庆大学的黄尚廉等着手研究拉曼光时域反射仪,而后基于普通 多模通讯光纤成功地研制了拉曼光时域反射仪;上海交通大学的周正仙等也于 2009年成功研制出了温度精度可达0.1 且空间定位分辨率可达1 m的拉曼 光时域反射仪;中国计量大学的张在宣等也对拉曼光时域反射仪进行了一系列 的研究,并进行了广泛的产业化应用。2.1 拉曼光时域反射仪的工作原理真实的光纤折射率是不均匀性的,可以类比于一个个大小不一的颗粒悬浮 于光纤中。当有激光注入到光纤中,由于折射率的平均值远大于折射率的差异 值,激光依旧按照全反射的原理在光纤中向前传播。但是,由于折射率差异或 者说大小不一的颗粒的存在,激光在向前传输的过程中会发
7、生散射。这些散射 光有一部分返回至光纤注入端口,称之为背向散射光。从光纤注入端口搜集到 的背向散射光携带了光纤沿途诸如温度、振动、应力等事件的信息,因而可以 通过研究背向散射光获得光纤沿途事件的信息。注入光纤的激光作用于这些不一致的颗粒时,会产生一种叫做拉曼散射的 非弹性散射。产生的拉曼散射光是光纤中分子的热振动与光子相互作用的结 果。光能和热能的相互转化产生了 2个新的频率成分的光,等距离地分布在注 入激光光频的两侧,分别叫做斯托克斯光和反斯托克斯光。其中,斯托克斯光 的光强不随温度的变化而变化,而反斯托克斯光的光强会随着温度的变化而变 化。为了补偿衰减或散射程度分布的不一致,斯托克斯光的光
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- 拉曼光 时域 反射 多元 电力设备 中的 应用 探究
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