李萌，孙保阳，钟镇，2，秦瀚祥，蒋渭忠

（1.常州工学院光电工程学院，江苏常州 213032；2.江苏省光通信系统与网络工程研究中心，江苏南京 210093）

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，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

2.1 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]。自从高锟博士预言可以利用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，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。

2.2 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，斯托克斯光的光强与反斯托克斯光的光强两者以比值的形式出现。理论上，比值与温度之间存在着指数函数的关系，因此可以从比值中求解出温度信息。需要指出的是，由于温度信息是与比值存在对应关系，而不是与某个频率光的光强呈对应关系，当光纤使用年久出现老化现象时，斯托克斯光与反斯托克斯光的光强虽然都会因老化而发生变化，但是两者光强的比值相对不变，从而使温度的测量精度不会因此而出现测量性能的下降。但2 个不同频率的光存在传播快慢的问题，2 个频率光之间又存在补偿的需要，故而在实际的测量应用中需要进行相应的处理。

对于大多数的拉曼光时域反射仪，其系统结构主要由激光器、调制器、耦合器、环形器、光分离器件、传感光纤、光电探测器、数据采集卡、脉冲控制器等组成。激光器输出连续的探测光，由于激光具有高相干性，再加上激光频率漂移等影响，一般通过多次平均获得平滑的曲线。系统的控制中心要求脉冲控制器发送周期性的脉冲，以通过调制器对激光器发出的连续光进行调制。脉冲控制器发出脉冲的周期和宽度决定了调制器输出的光脉冲的周期和宽度。光脉冲的周期决定了传感光纤长度的上限值，而光脉冲的宽度决定了温度探测在空间距离上的分辨率。光脉冲注入光纤后产生的背向拉曼散射光返回注入端口，经光分离器件将斯托克斯光和反斯托克斯光分离开来，并分别被光电探测器搜集，光电探测器一般采用雪崩光电二极管等高增益探测器。两路光电探测器将输出的电信号分别送入数据采集卡，数据采集卡的采样率影响温度探测在空间距离上的分辨率。

3 在多元电力设备应用中的关键问题

3.1 提高光纤感温上限的问题

在多元电力设备中，有变压器、开关柜、电抗器、避雷器、互感器、电容器、断路器等一系列电气设备。对于变压器，正常工作时的温度约为80 ℃，发生故障时往往会超过130 ℃[5]。而对于开关柜、电抗器等电气设备，由于老化等原因产生局部放电时，其区域温度有可能急速飙升。对于普通的石英光纤，由于基本材质就是玻璃，其最高耐受温度非常高，但这只是裸纤的可承受温度。一般为了增强光纤的强度和柔软性，光纤的表面都会覆盖一层涂覆层，甚至外面还有软质护套。这些附加材料的耐受温度时常比裸纤的耐受温度要低，使得整个测试光纤的耐受温度无法满足在电力设备温度测量中的应用需求。

为了解决这一问题，目前较流行的有2 种方案：①在原光纤的基础上增加金属铠装，同时具有抗拉、抗压、防扭等作用。但需要注意的是，这种增加了铠装的光缆事实上只是较大限度地协调了导热速度与光缆强度之间的关系。换言之，可以简单地认为只是避免了原光纤局部感受高温的情况。这种方案不可能将探测温度的上限提高很多。一般情况下，此类方案的感温光缆的探测温度上限大概在120 ℃。像变压器一类的电气设备，如果是处于正常工作状态下，感温光缆能够正常工作，但变压器一旦出现故障，温升失控，感温光缆很可能不能正确地感知温度的数值。②在光纤材料中掺入金属元素，比如镀金或者镀铝，所掺杂金属元素不同，光纤最终的感温上限也不同。像镀金的光纤，其感温上限可以达到800 ℃，这对于多元电力设备中的绝大多数应用场景的温度感知，已经足够了。

3.2 提高温度空间分辨率的问题

在拉曼光时域反射仪的温度测量中，温度分辨率有2 层意思。第一层意思是温度数值本身的分辨程度。该分辨率原则上受限于光电探测器的增益和噪声水平、探测脉冲光的功率、数据采集卡的采集精度等。在测温系统的设计过程中，这些参数指标需要统筹兼顾。目前商用的拉曼光时域反射仪的温度分辨率一般可达0.1 ℃，而温度测量的精度也可以达到1 ℃。这样的温度指标对于多元电力设备温度的测量绰绰有余。但对于第二层意思，温度事件在空间上的分辨率是目前拉曼光时域反射仪的一个痛点。目前商用拉曼光时域反射仪的温度空间分辨率普遍为1 m，分辨率稍高一点为0.5 m。这主要是由于在性价比上受数据采集卡的采样率、探测器的响应速度、光脉冲的空间宽度、接收电路的带宽等因素的影响。随着光电技术的发展，探测器的响应速度和接收电路的带宽在性价比上越来越能够被接受。对于数据采集卡，100 MSa/s 的采样率正好对应1 m 的空间距离，而10 ns 脉冲的光脉冲恰好对应1 m 的空间分辨率。不巧的是，在数据采集卡的设计上，100 MSa/s 的采样率又正好是设计理论、设计难度、制造价格的分水岭。另外，更小的空间分辨率还需要更窄的光脉冲宽度，如此，系统的成本则会成倍飙升，这对于产品的商业化应用是难以接受的。在多元电力设备中，温度测量设备的价格相对敏感，因此不能一味以牺牲性价比获取温度空间分辨率的提升。在实际的应用场景中，电力设备往往是管状、卷面状等形状。对于管状电力设备，可以将光纤沿着管子缠绕，因此管子的直线距离小于管上2 点之间光纤的长度，这就从事实上提高了光纤测温的空间分辨率；对于卷面状的电力设备，将光纤往复折返布置于电力设备上，也可以达到事实上提高光纤测温空间分辨率的目的。

4 结论

本文详细叙述了多元电力设备测温的必要性，并给出了拉曼光时域反射仪测量温度的优势。针对拉曼光时域反射仪的起源、发展、工作原理以及其在多元电力设备应用场景中存在的问题进行了详细的分析和讨论，并对温度测量的上限和空间分辨率进行了重点分析，探究了其解决方案。这些探讨有益于拉曼光时域反射仪在多元电力设备温度监测中的应用推广。