【正文】 發(fā)生的位置，通過對(duì)散射信號(hào)強(qiáng)度的分析后來確定此位置處光纖的物理特性。 基于此原理，人們通過利用各種物理效應(yīng)，將溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等待測(cè)的物理量調(diào)制到后向散射光上，通過計(jì)時(shí)和解調(diào)后向散射光，人們就既可知道此物力量的強(qiáng)度大小，又可知道此物理量的空間分布。 OTDR 技術(shù)作為分布式傳感的基礎(chǔ)，目前在大多數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)中得到應(yīng)用，本課題所研究的分布式溫度傳感系統(tǒng)中也正是基于 OTDR 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式傳感測(cè)量的。注入光纖的激光頻率為 ，光子的能量為 ，當(dāng)分子從能級(jí)巨被激光光子激發(fā)到能級(jí)為 的虛態(tài)，又回到能級(jí) E1：或分子從能級(jí) E2 被激光光子激發(fā)到能級(jí)為 的虛態(tài)，又回到能級(jí) E2，散射出頻率為 的光子，這一過程稱為瑞利散射。 自發(fā) 拉曼散射的理論描述 從經(jīng)典理論看，拉曼散射可看作泵浦光的電磁波使光纖介子分子或原子內(nèi)的電子相對(duì)原子核發(fā)生微小的位移或振動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電極化。 自發(fā)拉曼散射的斯托克斯過程中，諧振分子的始態(tài)為基態(tài)低能級(jí)，終態(tài)為激發(fā)能級(jí)，而反斯托克斯過程則相反，始態(tài)為激發(fā)態(tài)能級(jí)，終態(tài)為基態(tài)能級(jí)。 將式 (4— 13)和式 (4— 14)分別對(duì)溫度求微商，得 (4— 17) (4— 18) 式 (4— 17)和式 (4— 18)說明斯托 克斯光對(duì)溫度的敏感性與反斯托克斯光的大致相當(dāng)。 —— 注入光波在光纖輸入端即 z=0 處的電場(chǎng)強(qiáng)度 、 、 —— 分別為注入光、斯托克斯和反斯托克斯光的動(dòng)量 在受激拉曼散射中的反斯托克斯光與斯托克斯光功率之比是式（ 4— 21）的平方，兩者之比與光纖所處環(huán)境的溫度無關(guān)。受激拉曼散射的光功率可達(dá)到與入射光功率相比擬的程度，即入射光幾乎全部轉(zhuǎn)換成受激拉曼散射功率；而自發(fā)拉曼散射功率通常比入射光小亂 7 個(gè)量級(jí)，且與入射光功率呈線性關(guān)系： (3)受激拉曼散射具有明顯的閾值。 設(shè)單位長(zhǎng)度光纖的反斯托克斯光、斯托克斯光散射損耗 (散射系數(shù) )分別為和 ，則長(zhǎng)度為 的光纖上的反斯托克斯、斯托克斯散射光強(qiáng)之比 仍滿足式 (4— 15)，即 （ 4— 16） 考慮到光在光纖中傳輸時(shí)存在著諸如光源功率不穩(wěn)、光纖的傳輸損耗、光纖彎曲造成的傳輸損耗增加等非溫度因素對(duì)反斯托克斯光強(qiáng)的影響，在分布式光纖溫度傳感器中，取式（ 4— 15）反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)的比值作溫度的傳感信號(hào)，而不是單純的取反斯托克斯光強(qiáng)作溫敏信號(hào)。 自發(fā)拉曼散射中斯托克斯和反斯托克斯的產(chǎn)生幾率 當(dāng)分子始態(tài)處于不同能態(tài)時(shí)，吸收外場(chǎng)光子后產(chǎn)生的輻射躍遷后所處的終態(tài)也是不同的。 圖 纖散 射光譜圖 微弱的自發(fā)拉曼散射現(xiàn)象用拉曼散射的經(jīng)典理論可定性的解釋為：光纖的成分是石英即二氧化硅分子，而二氧化硅分子是由硅和氧原子組成的，它們?cè)诜肿觾?nèi)部按一定的方式處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，二氧化硅分子內(nèi)部粒子間的這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致分子間感生電偶極距隨時(shí)間的周期性調(diào)制，從而對(duì)入射到光纖中的光產(chǎn)生散射作用；對(duì)于單色光入射，將使散射光的頻率相對(duì)于入射光而言發(fā)生一定的移動(dòng)，頻率移動(dòng)量的大小正好等于上述調(diào)制頻率。彈性碰撞過程中，光子與分子間并不交換能量，因此只是改變光子的運(yùn)動(dòng)方向并不改變激發(fā)光子的波長(zhǎng) (即光子的能量 )；在非彈性碰撞過程中 ，光子與分子之間的相互作用存在著能量交換，光子可以釋放或吸收聲子，在頻域上，表現(xiàn)為斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。 用 OTDR 技術(shù)可以 確定光纖處的損耗、光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)位置，對(duì)測(cè)量點(diǎn)定位，因此也可以稱為光纖雷達(dá)。顯然，要想在分布式光纖傳感器中使用光學(xué)反射方法進(jìn)行測(cè)量， ， ， ，必須具備以下兩個(gè)條件： (1)是被測(cè)量的函數(shù)； (2)能從所有其它環(huán)境影響參數(shù)分離出來。散射是由光纖中非傳播的局域密度的不均勻和成分的不均勻所致，這種不均勻性是在拉纖階段，二氧化硅由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟虘B(tài)的過程中形成的。 光時(shí)域反射 (OTDR)技術(shù)原理 從本質(zhì)上講，分布式光纖溫度傳感器都是從 OTDR(0PTICALTIME DOMAINREFLECTOR)技術(shù)上發(fā)展而來。分布式光纖光柵能在一根光纖上完成十個(gè)以上點(diǎn)的測(cè)溫。 紅外溫度傳感器測(cè)量法 測(cè)溫靈敏度和準(zhǔn)確度都很高，但紅外測(cè)溫為非接觸測(cè)量，易受環(huán)境及周圍的電磁場(chǎng)干擾，且需人工操作，無法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。 頻率響應(yīng)分析法。變壓器在內(nèi)部出現(xiàn)故障或運(yùn)行條件惡劣時(shí)，會(huì)由于局部場(chǎng)強(qiáng)過高而產(chǎn)生局部放電（ PD）。對(duì)于采用風(fēng)冷冷卻器（散熱器）的變壓器，變壓器上安裝兩塊溫度計(jì)，溫度指示一般使用壓立式溫度計(jì)，表計(jì)安裝在變壓器本體易于觀測(cè)的部位，一般規(guī)定當(dāng)變壓器頂層油溫達(dá)到 75℃時(shí)報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)傳送到中控室。這些微動(dòng)開關(guān)分別用于控制變壓器冷卻系統(tǒng)、溫升報(bào)警系統(tǒng)、溫升跳閘系統(tǒng)，達(dá)到指示變壓器油溫和控制溫升的目的。在一定溫度范圍內(nèi)，電阻 溫度關(guān)系是線性的。 非接觸測(cè)溫的特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象相接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱交換，故可避免接觸式測(cè)溫法的缺點(diǎn)，具有較高的測(cè)溫上限。 溫度及其測(cè)量 溫度是衡量物體冷熱程度的物理量。 用特征氣體法應(yīng)注意以下問題 : ( 1) C2H2 是故障點(diǎn)周圍絕緣油分解的特征氣體 , 其含量是區(qū)分過熱和放電 2 種性質(zhì)的主要指標(biāo)。 變壓器故障綜合檢測(cè)方法 羅杰斯比值法 羅杰斯比值法是利用 CH H C2H C2H6 和 C2H4 等 5 種氣體間的4 對(duì)比值來判斷變壓器內(nèi)部故障性質(zhì)的方法 , 經(jīng)實(shí)踐表明 , 具有所需油樣少、分析速度快的優(yōu)點(diǎn) , 是變壓器故障診斷的一個(gè)有效方法。 變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè) 在變壓器運(yùn)行中， 絕緣油和有機(jī)絕緣材料在放電和過熱作用下，會(huì)逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量低分子烴類氣體如氫氣（ H2）、甲烷（ CH4）、乙烯（ C2H4）、乙烷（ C2H6）、乙炔（ C2H2）及二氧化碳（ CO2）和一氧化碳（ CO）等特征氣體，并大量溶解在油中。該類傳感器利用光纖本身的傳輸特性（光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位和頻率等）受被測(cè)量物的作用而發(fā)生變化，即被調(diào)制，在輸出端通過合適的解調(diào)而測(cè)量被測(cè)量物，能測(cè)量作用于光纖的微弱信號(hào)。涉及固體絕緣的過熱性故障時(shí)， 除產(chǎn)生上述的低分子烴類氣體外，還產(chǎn)生較多的 CO、CO2。在不同的運(yùn)行狀態(tài)下，外界對(duì)變壓器油的理化作用不同，產(chǎn)生的氣體的成分和含量也不相同。 超聲波監(jiān)測(cè) PD，首先要在變壓器箱壁上的不同位置安放多個(gè)超聲波傳感器。 甚高頻法 甚高 頻法與 UHF 法類似，它檢測(cè)信號(hào)的頻率范圍在 30～ 300 MHz。 電脈沖法 電脈沖法又稱脈沖電流法，通過檢測(cè)阻 抗、變壓器套管末屏接地線、外殼接地線、鐵心接地線及繞組中由于局放引起的脈沖電流， 獲得視在放電量。電力變壓器 的潛伏性故障一般有三種：即變壓器內(nèi)部的局部放電、局部過熱和變壓器絕緣的老化。變壓器箱蓋上落異物，如大風(fēng)將樹枝吹落在箱蓋時(shí)引起套管放電或相間短路。 引起溫度異常升高的原因有： ①變壓器匝間、層間、股間短路； ②變壓器鐵芯局部短路； ③因漏磁或渦流引起油箱、箱蓋等發(fā)熱； ④長(zhǎng)期過負(fù)荷運(yùn)行，事故過負(fù)荷； ⑤散熱條件惡化等。此時(shí)，應(yīng)立即停止變壓器運(yùn)行，進(jìn)行檢修。 變壓器自動(dòng)跳閘故障及處理 當(dāng)變壓器各側(cè)斷路器自動(dòng)跳閘后， 應(yīng)先將跳閘斷路器的控制開關(guān)操作至跳閘后的位 置， 并迅速投入備用變壓器， 調(diào)整運(yùn)行方式和負(fù)荷分配， 維持運(yùn)行系統(tǒng)及其設(shè)備處于正常狀態(tài)，然后進(jìn)行外部檢查，查明引起跳閘的原因。 如果油溫發(fā)生變化時(shí)，起油標(biāo)的油位沒有跟隨變化，說明油位是假的， 其原因可能是由于油標(biāo)管堵塞、防爆管通氣孔堵塞、呼吸管堵塞等。正常老化過程中產(chǎn)生的氣體主要是 CO 和 CO2， 如果油質(zhì)異常，在電或熱的作用下會(huì)產(chǎn)生各種氣體。 ( 2) 變壓器油溫異常 變壓器正常工作時(shí)，上層油溫應(yīng)控制在 85 e 以下。 第二章 電力變壓器的常見故障類型及診斷 變壓器油故障原因及處理 ( 1) 變壓器滲油 變壓器質(zhì) 量問題造成滲油變壓器在制造過程中因鑄造、焊接質(zhì)量不合格，造成砂眼、氣孔、虛焊、脫焊等現(xiàn)象而使變壓器滲、漏油 . 這就需要加強(qiáng)出廠驗(yàn)收，防止制造缺陷。 光纖光柵在高壓設(shè)備 溫度檢測(cè)中的應(yīng)用也在研究中，如德國(guó)西門子公司正在將光纖光柵傳感器用于氣冷渦輪發(fā)電機(jī)定子的溫度監(jiān)測(cè)中，光纖光柵經(jīng)過特殊的封裝，以保證在真空和 4179。目前研究最多，最有影響力的基于散射機(jī)理的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)有基于光纖瑞利散射的光時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)，基于光纖喇曼散射的光時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)和基于光纖布里淵散射的光時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)。 熒光光纖測(cè)溫技術(shù)也是近年來光纖測(cè)溫領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。這些類型的光纖傳感技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，傳感器的形式也種類繁多，就目前來看用于電力變壓器內(nèi)部溫度測(cè)量的光纖傳感系統(tǒng)還不是太多。從變壓器絕緣運(yùn)行壽命看，一般認(rèn)為應(yīng)遵循六度法則：變壓器繞組年平均溫度為 98 攝氏度，每上升或降低 6攝氏度，則變壓器壽命降低一半或延長(zhǎng)一倍。若繞組最熱點(diǎn)的溫度過低，則變壓器的能力就沒有得到充分利用，減低了經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)橐坏┨馗邏弘娋W(wǎng)的樞紐電力變壓器出現(xiàn)故障，其帶來的損失將是 500 kV 等超高壓變壓器的 3~4 倍甚至更高。國(guó)家電網(wǎng)公司先后出臺(tái)了《國(guó)家電網(wǎng)公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》、《關(guān)于開展電網(wǎng)運(yùn)行管理控制技術(shù)研究和推廣應(yīng)用的實(shí)施意見》，將變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)、高壓輸變電主設(shè)備安全運(yùn)行技術(shù)作為重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域，以便為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)提供必要的技術(shù)支持和保障。 136 參考文獻(xiàn)（ References） 公式、插圖和插表說明 各節(jié)的二級(jí)題序及標(biāo)題 4 號(hào)黑體 本論文的結(jié)構(gòu)安排 Will eventually be a plex system is deposed into relatively simple, is advantageous to the we use part of the hardware and software implementation. Second, clear the principles of system implemented on the basis of the system of optical fiber part such as sampling and the software behind the operation, according to the design pleted test rig, is researched. Keyword: Winding hot spot temperature。如果變壓器運(yùn)行時(shí)的繞組最熱點(diǎn)溫度過低，則變壓器的能力就沒有得到充分利用，減低了經(jīng)濟(jì)效益，而熱點(diǎn)溫度過高，不僅會(huì)影響變壓器使用壽命，還將對(duì)變壓器安全運(yùn)行造成威脅。首先，深入細(xì)致地分析研究了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的原理；分析目前世界上光纖測(cè)溫的先進(jìn)技術(shù)以及科研成果，采用基于拉曼散射的反斯托克斯和斯托克斯光的光強(qiáng)比較技術(shù)，從空間和溫度分辨率入手，結(jié)合實(shí)際情況制定本系統(tǒng)的可行方法。Distributed optical fiber sensor。Ⅰ Abstract 錯(cuò)誤 !未定義書簽。電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的、最昂貴的設(shè)備之一，它的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)是否安全、高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。由于變壓器采用封閉式結(jié)構(gòu)，散熱效果差，熱積累大，并長(zhǎng)期處于高電壓、大電流和滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，直接導(dǎo)致熱量集結(jié)加劇、溫度升高，威脅電氣絕緣性能。 變壓器運(yùn)行時(shí)，有一部分電磁能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊? 在線監(jiān)測(cè) 變壓器油溫和繞組熱點(diǎn)溫度對(duì)早期診斷變壓器故障十分重要， 但是因變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 影響其安全運(yùn)行的因素較多， 使得在線監(jiān)測(cè)的難度很大。半導(dǎo)體材料的吸收波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)位移，選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體光源，使其光譜范圍正好在吸 收區(qū)域，這樣透過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度的增加而減少，而從半導(dǎo)體材料反射回來的光強(qiáng)隨溫度的增加而增加，利用光探測(cè)器檢測(cè)出光強(qiáng)的大小進(jìn)而檢測(cè)出溫度。這種方法一般在制造或繞組改造過程中埋設(shè)測(cè)點(diǎn)才可能實(shí)施，如能多埋設(shè)幾點(diǎn)可能碰上真正的最熱點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，絕緣處理比較困難，其價(jià)格也非常昂貴，四探頭的典型價(jià)格為二十多萬人民幣。 近年來迅速發(fā) 展的光纖光柵 (Fiber Bragg Grating, FBG) 傳感器由于其特殊的結(jié)構(gòu)為市場(chǎng)提供了一種新的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 分布式光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫精度高， 空間定位準(zhǔn)確。密封不嚴(yán)造成滲油變壓器滲漏多發(fā)生在密封膠墊處，主要是由于密 封墊耐油性能差，在高溫下老化速度快造成的。若變壓器處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，就要立刻減輕變壓器負(fù)荷；如果負(fù)荷減輕后變壓器的溫度依然沒有明顯下降，就要立刻切斷電源，查找故障原因。油位下降或上升主要取決于油溫的下降或上升。 最常見的是單相線圈的線匝之間、層間的短路，當(dāng)短路電流很大時(shí)，線圈就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，使