【正文】 光子的波長(zhǎng) (即光子的能量 )；在非彈性碰撞過(guò)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。 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。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。 受激拉曼散射 在研究拉曼散射時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)照射到介質(zhì)上的光功率提高到一定值時(shí)，介質(zhì)的散射過(guò)程具有受激性質(zhì)，即出現(xiàn)受激拉曼散射。 設(shè)拉曼介質(zhì)由每單位體積Ⅳ個(gè)相互獨(dú)立的諧振子組成，對(duì)應(yīng)于各個(gè)分子，其運(yùn)動(dòng)方程為 （ 4— 4） 式中 F(z， t)—— 外場(chǎng)作用力 X（ z,t)—— 分子相對(duì)于勢(shì)能最低點(diǎn)的偏離 、 m、 —— 分別為分子的振動(dòng)頻率、質(zhì)量和阻尼系數(shù) 介質(zhì)分子極化率 是 x 的函數(shù)，可用級(jí)數(shù)表示 （ 4— 5） 取 n 階近似，則介 質(zhì)的介電常數(shù)為 （ 4— 6） 頻率為 ，電場(chǎng) E(z， t)的靜電儲(chǔ)能密度為 （ 4— 7） 因而作用在每個(gè)分子上的力為 （ 4— 8） 上述分析表明，頻率為 的分子振動(dòng)會(huì)引起介電常數(shù) 在 處出現(xiàn)調(diào)制，這導(dǎo)致對(duì)輻射場(chǎng)的調(diào)制，從而產(chǎn)生頻率偏移為珊。本節(jié)介紹了 Raman 散射，接著對(duì)傳感光纖中 Raman 散射進(jìn)行了理論分析。 系統(tǒng)的基本工作過(guò)程是將窄 的高強(qiáng)度光脈沖入射光纖后，測(cè)量該脈沖后向散射信號(hào)的時(shí)間函數(shù)。 (4)體積小，重量輕。繞組溫度指示器就是用于監(jiān)測(cè)變壓器繞組的溫度，給出越限報(bào)警，并在需要時(shí)啟動(dòng)保護(hù)跳閘。由于變壓器內(nèi)部不同的故障會(huì)產(chǎn)生不同的氣體，因此通過(guò)分析油中氣體的成分、含量、產(chǎn)氣率和相對(duì)百分比，就可達(dá)到對(duì)變壓器絕緣診斷的目的。 獨(dú)立式電阻傳感器測(cè)溫常見(jiàn)的故障有 :熱電阻電阻絲之間短路或接地；熱電阻電阻絲斷開(kāi)；保護(hù)套管內(nèi)有積水或污物，局部短路；電阻元件接線盒間引出導(dǎo)線斷路：連接導(dǎo)線接觸不良使電阻值增大 或有局部短路等。 （二） 非接觸式測(cè)量 非接觸測(cè)溫主要是利用光輻射來(lái)測(cè)量物體溫度。 特征氣體法 故障點(diǎn)產(chǎn)生氣體的特征是隨故障類(lèi)型、故障能量的級(jí)別以及所涉及的絕緣材料的不同而不同。電力變壓器的絕緣基本上可以分為二種：液體絕緣和固體絕緣。油中溶解氣體以 CH4 和 C2H4 為特征氣體，二者之和常占總烴的 80%以上。甚高頻法的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)放電量的校準(zhǔn)比較可靠。 光測(cè)法 光測(cè)法是利用局放產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行檢測(cè)。 (2) 斷線產(chǎn)生電?。壕€組導(dǎo)線焊接不良、引線連接松動(dòng)等因素在大電流沖擊下可能造成斷線，斷點(diǎn)處產(chǎn)生高溫電弧使油氣化促使內(nèi)部壓力增高。 異常響聲 (1) 音響 較大而嘈雜時(shí)，可能是變壓器鐵芯的問(wèn)題。 因此，在裝油時(shí)，一定要結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁剡x擇注油的合適高度。因此， 在購(gòu)買(mǎi)或檢修更換密封膠墊時(shí)，應(yīng)選擇耐油性、耐高溫、抗老化能力強(qiáng)的密封墊， 如丁腈橡膠、氟橡膠等。光纖光柵是 20 世紀(jì) 90 年代 發(fā)展起來(lái)的一種新型全光纖無(wú)源器件。 國(guó)外已嘗試?yán)冒雽?dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電力設(shè)備的溫度狀況進(jìn)行檢測(cè)，而且取得了較好的效果。也就是說(shuō)，在變壓器運(yùn)行時(shí)，在鐵心、繞組和鋼結(jié)構(gòu)件中均要產(chǎn)生損耗，這些損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃堪l(fā)散到周?chē)橘|(zhì)中去，從而引起變壓器發(fā)熱和溫度升高。電力變壓器是電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵?，是?guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)和千家萬(wàn)戶能量來(lái)源的必經(jīng)之路。 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。Distributed optical fiber sensor。如果變壓器運(yùn)行時(shí)的繞組最熱點(diǎn)溫度過(guò)低，則變壓器的能力就沒(méi)有得到充分利用，減低了經(jīng)濟(jì)效益，而熱點(diǎn)溫度過(guò)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。 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。136 參考文獻(xiàn)（ References） 變壓器本身也是電力系統(tǒng)中最昂貴設(shè)備之一，單以其本身價(jià)格計(jì)算，進(jìn)口的 250 MVA/500 kV 變壓器平均約 133 萬(wàn)美元 /臺(tái)，國(guó)產(chǎn)同規(guī)格的也可達(dá)到 1000 萬(wàn)元 /臺(tái) 。所以，變壓器溫度在線監(jiān)測(cè)對(duì)保證安全和延長(zhǎng)設(shè)備壽命都有重要意義。在繞組靠近導(dǎo)線部分埋設(shè)光纖傳感器來(lái)測(cè)溫，溫度傳感器采用的是一種穩(wěn)定的耐高溫的熒光材料， LED 光源發(fā)出的光脈沖通過(guò)光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器，該脈沖激勵(lì)傳感器的熒光材料，使其產(chǎn)生波長(zhǎng)較長(zhǎng)的熒光，根據(jù)返回?zé)晒獾乃p時(shí)間測(cè)出該傳感器的溫度（需進(jìn)行溫度矯正）。 105Pa 壓強(qiáng)下沒(méi)有形變，并且對(duì) 160 ℃溫度下環(huán)氧樹(shù)脂中的化學(xué)和物理變化不敏感，其目標(biāo)是連續(xù)測(cè)量范圍從 20~ 160 ℃，測(cè)量精度小于 1 ℃。油溫過(guò)高的原因主要有：冷卻裝置運(yùn)行不正常、內(nèi)部緊固螺絲接頭松動(dòng)、內(nèi)部短路放電 以及變壓器過(guò)負(fù)荷運(yùn)行等。這就要求經(jīng)常檢查油位計(jì)，保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。 (3) 音響中夾有爆炸聲，既大又不均勻時(shí)，可能是變壓器的器身絕緣有擊穿現(xiàn)象。以上對(duì)變壓器的聲音、溫度、油位、外觀及其他現(xiàn)象對(duì)配電變壓器故障的判斷，只能作為現(xiàn)場(chǎng)直觀的初步判斷。 電脈沖法技術(shù)的關(guān)鍵是如何有效地識(shí)別和抑制干擾，將真正的局放信號(hào)提取。由于它們相對(duì)于局放源的位置不同，接收到的超聲波信號(hào)之間存在時(shí)間差，通過(guò)計(jì)算就能相對(duì)準(zhǔn)確地定位出局放源的位置。隨著溫度的升高， CO、 CO2 比值逐漸增大。這些故障氣體的組成和含量與故障的類(lèi)型及其嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。但出現(xiàn)高溫?zé)狳c(diǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生少量 C2H2, 因此不應(yīng)認(rèn)為凡有 C2H2 出現(xiàn)都視為放電性故障。此外，非接 觸測(cè)溫法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒。 壓力式溫控器儀表的特點(diǎn)： 觸點(diǎn)功率大，溫度指示控制器采用功率較大的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化了控制 電路，提高了變壓器運(yùn)行的可靠性。 PD水平及其增長(zhǎng)速率的明顯變化，能夠指示變壓器內(nèi)部正在發(fā)生的變化或反映絕緣中由于某些缺陷狀態(tài)而產(chǎn)生的固體絕緣的空洞、金屬粒子和氣泡等。另外該方法還需要知道被測(cè)物體的發(fā)射率，要保證被測(cè)物體的輻射充分抵達(dá)紅外探測(cè)器，還要盡量消除背景噪聲。這種光時(shí)域反射技術(shù)是用來(lái)對(duì)光纖通信中光纖電纜故障檢測(cè)而創(chuàng)立的，圖 表示了 OTDR 的基本原理。 從已有結(jié)果看，用光學(xué)反射方法可測(cè)量溫度、應(yīng)變和壓 力等物理量。光子與分子的相互作用可用分子能級(jí)圖來(lái)表示，如圖 所示， E1， E2 分別表示分子振動(dòng)的兩個(gè)能級(jí)，兩個(gè)能級(jí)之間相差 ，即 。 根據(jù)波爾茲曼分布律，在熱平衡下，介質(zhì)分子振動(dòng)基態(tài)和激發(fā)奩的粒子分布為 （ 4— 9） 式中 N1—— 分子振動(dòng)基態(tài)上的粒子數(shù) N2—— 分子振動(dòng)激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù) —— 分子振動(dòng)頻率 在常態(tài)下，絕大多數(shù)粒子處于基態(tài)能級(jí)上，只有極少數(shù)粒子處于激發(fā)能態(tài)上。受激拉曼散射產(chǎn)生的前提是入射到介質(zhì)的光功率必須超過(guò)某一閩值，而自發(fā)拉曼散射的產(chǎn)生則不論入射到介質(zhì)的光功率的強(qiáng)弱，總是存在自發(fā)拉曼散射，只不過(guò)入射到介質(zhì)的光強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射強(qiáng)，而入射到介質(zhì)的光弱時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射弱而已： (4)根據(jù)耦合模式理論，導(dǎo)出受激拉曼散射中反斯托克斯 光波與斯托克斯光波電場(chǎng)強(qiáng)度之比為 （ 4— 21） 式中 —— 斯托克斯頻率 —— 斯托克斯極化率 —— 非共振極化率 —— 動(dòng)量失配量即 。 由式 (4— 13)、 (4— 14)和式 (4— 17)、 (4— 18)可求得斯托克斯光、反斯托克斯光隨溫度變化的相對(duì)值，即 (4— 19) (4— 20) 根據(jù)式 (4— 17)和式 (4— 18)，從理論上講，反斯托克斯光、斯托克斯光對(duì)溫度的敏感性大致相當(dāng)，他們均可作為溫敏信號(hào)：但式 (4— 19)和式 (4— 20)表明，反斯托克斯光隨溫度變化的相對(duì)值較斯托克斯光的大 倍，所以單 靠反斯托克斯光提取溫度信息較單靠斯托克斯光提取容易，這也是實(shí)際應(yīng)用中取反斯托克斯光作溫敏信號(hào)而認(rèn)為斯托克斯光與溫度無(wú)關(guān)的原因。這種電極化使泵浦光頻率產(chǎn)生變化，產(chǎn)生斯托克斯和反斯托克斯散射。 拉曼散射原理 光纖中的 Raman 散射理論是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，它的研究為分布式光纖溫度傳感器奠定了傳感的理論基礎(chǔ)，對(duì)傳感器系統(tǒng)光源的選用、傳感光纖的選取和信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也都起著非 常重要的作用。如光纖有斷裂或接頭，那么與此相對(duì)應(yīng)的后向散射光信號(hào)將出現(xiàn)一個(gè)突變尖峰。 (3)由光來(lái)傳輸信號(hào)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，避免了由電引起的石油易燃易爆等問(wèn)題。 繞組溫度指示。 油中溶解性氣體分析技術(shù)。 電阻與溫度的關(guān)系可用下式表示為 Rt = R0〔 1+ a0﹙ t t0﹚〕 Rt 為溫度 t 時(shí)的電阻值； R0 為溫度 t0時(shí)的電阻值； t0為起始溫度；一般規(guī)定為 0℃； a0 為溫度系數(shù)（以 0℃為起始溫度）。 接觸式的特點(diǎn)是測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡這時(shí)感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。條件屬性集為 CH4/ H C2H6/ CH C2H4/ C2H6 和 C2H2/ C2H4 這 4 對(duì)氣體的比值 , 決策屬性為診斷結(jié)果。 絕緣老化及其檢測(cè) 大 多變壓器的損壞和故障都是因絕緣系統(tǒng)的損壞而造成。當(dāng)發(fā)生過(guò)熱性故障時(shí)，熱點(diǎn)只影響到絕緣油的分解而不涉及固體絕緣的裸金屬過(guò)熱 性故障。同時(shí)，用甚高頻法也可以對(duì) PD進(jìn)行定位。 超聲檢測(cè)法主要用于定性判斷是否有局放信號(hào)，結(jié)合電脈沖信號(hào)或直接利用超聲信號(hào)對(duì)局放源進(jìn)行物理定位。 (1) 絕緣損壞：匝間短路等局部過(guò)熱使絕緣損壞；變壓器進(jìn)水使絕緣受潮損壞；雷擊等過(guò)電壓使絕緣損壞等導(dǎo)致內(nèi)部短路的基本因素。 必須指出，不管系統(tǒng)有沒(méi)有備用的電源，絕對(duì)不允許將變壓器強(qiáng)制送電。油位下降或上升主要取決于油溫的下降或上升。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。 近年來(lái)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)。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(guò)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(lái)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。 變壓器運(yùn)行時(shí)，有一部分電磁能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。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。 Ⅱ 第一章 緒 論 Online monitoring。電力變壓器內(nèi)部屬于高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，對(duì)于變壓器 繞組溫度的監(jiān)測(cè)，光纖光柵傳感技術(shù)與傳統(tǒng)的電信號(hào)傳感技術(shù)相比具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其是適于電力變壓器內(nèi)部的復(fù)雜電磁環(huán)境。 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 頁(yè)眉、頁(yè)腳說(shuō)明 公式、插圖和插表說(shuō)明 電力變壓器是電力系統(tǒng)中輸變電能的高壓電氣設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓、電流的轉(zhuǎn)換及功率傳輸?shù)娜蝿?wù)，其性能的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)外油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)的范圍很廣，主要包括： ( 1) 利用光纖傳感器監(jiān)測(cè) 變壓器的過(guò)熱故障 , 并通過(guò)計(jì)算實(shí)時(shí)顯示變壓器各熱點(diǎn)的運(yùn)行溫度； ( 2) 監(jiān)測(cè)油中可燃?xì)怏w總量； ( 3) 在線監(jiān)測(cè)局部放電 , 包括電氣局部放電、聲音局部放電、超高頻局部放電、靜態(tài)局部放電； ( 4) 在線監(jiān)測(cè)套管的功率因數(shù)和電容； ( 5) 在線監(jiān)測(cè)油中濕度、溫度、酸度； ( 6) 在線監(jiān)測(cè)負(fù)載電流； ( 7) 在線監(jiān)測(cè)繞組頂部和底部油溫； ( 8) 在線監(jiān)測(cè)鐵心接地故障和繞組缺陷； ( 9) 在線監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油柜的油位 , 通過(guò)安裝傳感器提供油滲漏信息； ( 10) 在線監(jiān)測(cè)冷卻裝置的功能及運(yùn)行情況。這種溫度傳感器對(duì)變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)在上世紀(jì)八十年 代就有應(yīng)用，典型產(chǎn)品是美國(guó) Luxtron 公司研制的 WTS11 型變壓器繞組溫度光纖熒光型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能在 0~200 ℃范圍內(nèi)，達(dá)到 1 ℃的測(cè)溫分辨率，最快能每 10 s 測(cè)量一次，光纖長(zhǎng)度帶探頭光纖最長(zhǎng)可達(dá)到 10 m，能廣泛應(yīng)用在電力變壓器，負(fù)載的抽頭轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，高壓開(kāi)關(guān)柜母線溫度和母線開(kāi)關(guān)的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。而在國(guó)內(nèi)光纖光柵在高壓設(shè)備中的溫度檢測(cè)的應(yīng)用仍