牽引供電系統(tǒng)電纜及電纜頭在線監(jiān)測(cè)技術(shù)適用性分析

它們滿足模式耦合理論的一級(jí)近似相位匹配條件：

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

上式中右邊第1項(xiàng)為熱膨脹效應(yīng)：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(xiàng)為熱光效應(yīng)：因溫度變化引起的折射率變化，

為光纖的熱光系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在常規(guī)的溫度范圍內(nèi)α和β保持為常數(shù)，波長(zhǎng)變化與溫度變化保持很好的線性關(guān)系，因此只要測(cè)得光纖光柵的布喇格波長(zhǎng)，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(dá)傳感器熱敏材料部分;每一個(gè)傳感器反射回一個(gè)與自身溫度相對(duì)應(yīng)的窄譜脈沖光信號(hào);信號(hào)處理部分對(duì)返回信號(hào)列進(jìn)行濾波采樣和分析，從而確定每一個(gè)傳感器的溫度。

光纖光柵在線測(cè)溫系統(tǒng)一般由光纖光柵測(cè)溫主機(jī)、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(dǎo)熱陶瓷。光纖傳感器直接安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的觸點(diǎn)、高壓電纜終端頭等連接部位。下圖為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

光纖光柵測(cè)溫主機(jī)或者調(diào)制解調(diào)儀，用來(lái)產(chǎn)生光源、溫度轉(zhuǎn)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(lái)自測(cè)溫主機(jī)的同一束光等比例的分成若干份，分別射入相應(yīng)的每支光纖光柵傳感器中，然后再將傳感器反射回來(lái)的光合成一束送回到測(cè)溫主機(jī)。

下圖為光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)示意圖。

2.4分布式光纖測(cè)溫技術(shù)

分布式光纖測(cè)溫的機(jī)理是依據(jù)后向拉曼(Raman) 散射效應(yīng)。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(dòng)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個(gè)比光源波長(zhǎng)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(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與 Stokes的比值提供了溫度的絕對(duì)指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)轉(zhuǎn)為長(zhǎng)距離大范圍多點(diǎn)溫度測(cè)量的應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，在使用時(shí)只需要一條或幾條光纖就可以監(jiān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的線型和點(diǎn)式設(shè)備[8] [9]。

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

分布式光纖傳感器既是信號(hào)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(cè)溫主機(jī)通過(guò)將敷設(shè)在高壓開(kāi)關(guān)柜電纜接頭、上網(wǎng)電纜接頭處的探測(cè)光纖感應(yīng)的溫度信息經(jīng)光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、放大、AD轉(zhuǎn)換等系列程序轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并進(jìn)行大規(guī)模數(shù)字處理后，將規(guī)定的信息通過(guò)通訊總線上傳到測(cè)溫工作站。

下圖為光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)示意圖

圖6：分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)方案示意圖

3 高壓電纜在線測(cè)溫技術(shù)在牽引變電所適用性分析

對(duì)于電氣化鐵路而言，電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用較少，積累的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也不多，另外牽引供電系統(tǒng)也有自身的獨(dú)特性，為了便于設(shè)計(jì)選型，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面對(duì)上述在線測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行綜合分析比較。

3.1溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性

上述4種原理的電纜在線測(cè)溫技術(shù)測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性存在較大的差異：

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

Ø 無(wú)線測(cè)溫：直接接觸被測(cè)物體表面，測(cè)溫準(zhǔn)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(cè)溫：取決于傳感器加工精度以及測(cè)溫主機(jī)的計(jì)算準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性一般低于±0.5℃

Ø 分布式光纖測(cè)溫：取決于傳感器加工精度以及測(cè)溫主機(jī)的計(jì)算準(zhǔn)確性，準(zhǔn)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(cè)溫設(shè)備一般與高壓電纜直接接觸，所以這些測(cè)溫設(shè)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(shè)計(jì)階段一般都考慮了設(shè)備的絕緣耐壓及防污閃性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍然存在一些由技術(shù)原理本身所帶來(lái)的薄弱之處。

Ø 紅外測(cè)溫：紅外溫度傳感器沒(méi)有與被測(cè)試點(diǎn)直接接觸，絕緣耐壓性能高。但對(duì)安裝空間有嚴(yán)格的要求，必須保證足夠的安全距離，否則傳感器較易損壞