牽引供電系統(tǒng)電纜及電纜頭在線監(jiān)測技術適用性分析

它們滿足模式耦合理論的一級近似相位匹配條件：

當光纖光柵的溫度發(fā)生變化時，由于光纖材料的熱脹冷縮以及熱光效應，光纖光柵選擇性反射的布喇格波長會發(fā)生變化，變化的大小為：

上式中右邊第1項為熱膨脹效應：因熱膨脹引起的條紋周期變化，

為光纖的熱膨脹系數(shù);第2項為熱光效應：因溫度變化引起的折射率變化，

為光纖的熱光系數(shù)。實驗表明，在常規(guī)的溫度范圍內(nèi)α和β保持為常數(shù)，波長變化與溫度變化保持很好的線性關系，因此只要測得光纖光柵的布喇格波長，就可知光纖光柵的溫度。

光源發(fā)出的光經(jīng)放大后，由光纖到達傳感器熱敏材料部分;每一個傳感器反射回一個與自身溫度相對應的窄譜脈沖光信號;信號處理部分對返回信號列進行濾波采樣和分析，從而確定每一個傳感器的溫度。

光纖光柵在線測溫系統(tǒng)一般由光纖光柵測溫主機、光纜、光分路器、光纖傳感器、系統(tǒng)軟件等組成。

光纖光柵溫度傳感器內(nèi)部敏感元件為單模石英光纖，傳感器外殼為非金屬材質(zhì)，傳感器感溫底面為絕緣導熱陶瓷。光纖傳感器直接安裝在高壓開關柜內(nèi)的觸點、高壓電纜終端頭等連接部位。下圖為傳感器結構示意圖。

光纖光柵測溫主機或者調(diào)制解調(diào)儀，用來產(chǎn)生光源、溫度轉換以及通信控制。

光分路盒主要起到分離光束和合成光束的作用，它將來自測溫主機的同一束光等比例的分成若干份，分別射入相應的每支光纖光柵傳感器中，然后再將傳感器反射回來的光合成一束送回到測溫主機。

下圖為光纖光柵測溫系統(tǒng)示意圖。

2.4分布式光纖測溫技術

分布式光纖測溫的機理是依據(jù)后向拉曼(Raman) 散射效應。激光脈沖與光纖分子相互作用, 發(fā)生散射，散射有多種，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等[5]。其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，它會產(chǎn)生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯 (Anti-Stokes)光。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強發(fā)生變化，Anti-Stokes與 Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量。

分布式光纖測溫技術轉為長距離大范圍多點溫度測量的應用而設計制造的，在使用時只需要一條或幾條光纖就可以監(jiān)測長達數(shù)公里的線型和點式設備[8] [9]。

該系統(tǒng)由測溫主機或者調(diào)制解調(diào)儀、絕緣感溫光纖及相應附件組成。

分布式光纖傳感器既是信號的傳輸通道，又是溫度傳感器，其主要由高純度的絕緣材料石英組成。

測溫主機通過將敷設在高壓開關柜電纜接頭、上網(wǎng)電纜接頭處的探測光纖感應的溫度信息經(jīng)光學濾波、光電轉換、放大、AD轉換等系列程序轉變?yōu)閿?shù)字信號，并進行大規(guī)模數(shù)字處理后，將規(guī)定的信息通過通訊總線上傳到測溫工作站。

下圖為光纖光柵測溫系統(tǒng)示意圖

圖6：分布式光纖測溫系統(tǒng)方案示意圖

3 高壓電纜在線測溫技術在牽引變電所適用性分析

對于電氣化鐵路而言，電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)應用較少，積累的運行經(jīng)驗也不多，另外牽引供電系統(tǒng)也有自身的獨特性，為了便于設計選型，現(xiàn)從以下幾個方面對上述在線測溫技術進行綜合分析比較。

3.1溫度測量的準確性

上述4種原理的電纜在線測溫技術測量溫度的準確性存在較大的差異：

Ø 紅外測溫：測溫準確性受安裝質(zhì)量影響很大，紅外線照射角度偏差將導致測溫誤差加大，一般在±5℃

Ø 無線測溫：直接接觸被測物體表面，測溫準確性直接受所采用的溫度傳感器決定，一般在±0.5℃

Ø 光纖光柵測溫：取決于傳感器加工精度以及測溫主機的計算準確性，準確性一般低于±0.5℃

Ø 分布式光纖測溫：取決于傳感器加工精度以及測溫主機的計算準確性，準確性一般低于±1℃

3.2絕緣耐壓及防污閃性能

由于電纜在線測溫設備一般與高壓電纜直接接觸，所以這些測溫設備的絕緣耐壓以及防污閃性能顯得尤為重要。盡管生產(chǎn)所有廠家在產(chǎn)品設計階段一般都考慮了設備的絕緣耐壓及防污閃性能，但在實際應用中，仍然存在一些由技術原理本身所帶來的薄弱之處。

Ø 紅外測溫：紅外溫度傳感器沒有與被測試點直接接觸，絕緣耐壓性能高。但對安裝空間有嚴格的要求，必須保證足夠的安全距離，否則傳感器較易損壞