光纤温度监测系统的技术分析及其在发电厂中的应用

第２９卷第９期　Ｖ０Ｉ．２９　Ｎｏ．９　企业技术开发　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　０Ｆ　ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ　２０１０年５月　Ｍａｖ．２０１０　

光纤温度监测系统的技术分析及其在发电厂中的应用　

谭江平’，郭金学　，秦苓。　

（１．广东省电力设计研究院，广东广州５１０６６３；２．南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏南京２１０００３；　

３．华能国际电力股份有限公司海门电厂，广东汕头５１５１００）　

摘要：文章从测温原理、应用实例及价格等几方面，对感温电缆、分布式光纤温度传感器和光纤光栅温度传感器进　行对比分析，肯定了光纤温度监测系统的先进性，建议推广应用，并对未来的研究方向提出新设想。　关键词：分布式光纤温度传感器；光纤光栅温度传感器；感温电缆　中图分类号：ＴＰ２７７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６～８９３７（２０１０）０９—０００６—０３　

Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　

ＴＡＮ　Ｊｉａｎｇ－ｐｉｎｇ　，ＧＵＯ　Ｊｉｎ—ｘｕｅ２，ＱＩＮ　Ｌｉｎｇ　

（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１０６６３，Ｃｈｉｎａ；２．ＮＡＲＩ—ＲＥＬＡＹＳ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ，Ｌｔｄ，　

Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１０００３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｈａｉｍｅｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ，Ｈｕａｎｅｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｔｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１５１００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｍｏｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｃａｂｌｅ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｐｐｌｉｅｄ　ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｐｒｉｃｅｓ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｉｔ　ｃｏｎｆｉｒｍｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ　ｐｏｐｕｌａｒｉｚｅｄ　ｕｓａｇｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｃａｂｌｅ　

光纤测温技术近几年在各工业领域都得到了大力推　

广，比如矿井、隧道、地铁等。经过最近两三年的实际应　

用，由于其具有性价比高，测温更准确、可靠性强等特点，　

已经有逐渐取代感温电缆的势头。以往对发电厂及变电　站电缆夹层、电缆竖井、油罐和输煤皮带的测温，一直都　

是用感温电缆来实现，高温报警并联动消防系统，采用光　纤测温后，除了上述几点外，测温范围延伸到中压开关柜　

内了。目前，电力系统的光纤温度监测系统有两种：一种　

是使用已经被大家所熟悉和接受的分布式光纤温度传感　

器；另一种是使用光纤光栅温度传感器。本文就这两种光　

纤测温系统从原理和应用上进行分析和描述。　

１分布式光纤温度传感器　

１．１原理性分析　分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度　

场分布的传感系统，它能够连续测量光纤沿线所在处的　

温度，其原理是利用激光在光纤中传输产生的背向散射，　

在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中　传输的同时不断产生背向散射光波，这些背向散射光波　

的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将　

散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理　

系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波　的传输速度和背向光回波的时间对这些信息进行定位。　

收稿日期：２０１０—０２—２４　作者简介：谭江平（１９７８一），男，湖南澧县人，大学本科，工程师，主　要从事火力发电厂及变电站电气设计。　其原理和结构框图如图１所示。　

图１　分布式光纤温度监测系统的原理示意图　

监测系统由激光二极管和驱动器、光电检测器和放　大器组件、光纤传感回路和信号处理电路、计算机等组　

成，如图２所示ｌ１ｌ。　

ｒ＝　输入脉冲　。　．　（、Ｌ　

【望！　到　一　智散射光　’光纤　一　．　

图２

分布式光纤温度监测系统的结构框图　第２９卷第９期　谭江平，等：光纤温度监测系统的技术分析及其在发电厂中的应用　７　

该系统的特点在于容易实现长距离大范围多点的温　度测量，且测温和定位精度高，受环境影响小，特别适用　

于一些需要连续测温的场所，比如缆夹层、电缆竖井、油　

罐和输煤皮带。　１．２与感温电缆的对比　

由于感温电缆只有定温和差温两种报警形式，被动　

等待设定的报警温度，等到报警时往往已形成火灾。而且　

感温电缆只能利用火灾探测系统的模块接收开关量报警　信号，为节省成本，一般１００～２００　ｍ的感温电缆才接１个　

模块，这样做不到准确确定事故点位置，只能判断火警区　

域。而光纤系统利用设置多级温度报警／温升速率／温升趋　势来进行连续监测，可在任何时间准确显示任一点的温　

度状态和数值，在火灾发生前早期预警，一般定位的准确　

度可以达到１～２　ｍ。从价格上来比较，分布式光纤测温系　统成本集中在测温主机上，根据所带光纤长度不同价格　

也不同，目前主机定价约在３０万／台，测温光纤几元到十　

几元每米，而感温电缆四芯可恢复式的一般需要８０元每　

米。如果用量少的话，选择感温电缆比较经济，而一个火　

电厂，往往需要的数量都要３０～４０　ｋｍ，由此可见，采用光　纤测温的经济优势明显可见。综上所述，可以总结为以下　

的对比表：　

表１分布式测温光纤与线性感温电缆对比表　

１－３应用情况　

目前我院设计的工程，经过技术和经济对比，很多用　户都选择了用测温光纤代替感温电缆。应用分布式光纤　

测温系统，并已经投运的项目有广东湛江奥里油电厂、广　

东惠来靖海电厂和湖南华润鲤鱼江电厂。系统投运后反　映良好，发生报警时，运行人员只需要在系统工作站的显　

示屏上就能查看到报警点的具体位置和温度值，减少了　

误报的可能性。　

２光纤光栅温度传感器　

２．１工作原理　

光纤光栅温度传感器在电力系统的应用还比较少，　

目前一般仅用于中压开关柜的测温。光纤光栅是在光纤　

纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件。　它是利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，通过某种工艺　

方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致　纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，　

在纤芯内形成空间相位光栅。以光纤布拉格光栅为主的　

光栅传感器，其技术上得到了很大的改进，主要表现在其　

传感信号为波长调制以及复用能力强。　

其传感原理是利用紫外激光的干涉条纹在一个较小　的长度范围内照射具有光敏性的光纤，可使该段光纤芯　的折射率发生周期性的改变，从而形成光纤布拉格光栅　

圜。犹如一道道的栅门，一个波长的光线经过这一排栅门，　就会被分解成很多道波长比较短的光线，不能通过栅门　

的光线就会被反射。其作用实质上是在纤芯内形成一个　

窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅典型结　

构如图３所示。　

（ｎ　）　图３光纤光栅典型结构图　由耦合模理论可知，只有满足布拉格条件（即下式）　

的光波才能被光纤布拉格光栅反射：　

Ｂ＝２“　Ａ　

式中：　为ＦＢＧ反射光波中心波长；ｎ　为纤芯的有　

效折射率；Ａ为光栅周期。从公式中可以看出，当纤芯的　

有效折射率ｎ　或光栅周期＾改变时，中心发射波长也会　相应的改变。而ＦＢＧ的ｎ　或＾会受到外界的温度变化　

的影响而改变。也就是说，光纤光栅反射光波中心波长的　变化反映了外界被测信号的变化情况Ｉ３ｊ。　

由于光纤光栅温度传感器的测温方式是点式接触测　８　企业技术开发　２０１０年５月　

量，传感头结构简单，尺寸小，而且抗干扰能力、抗腐蚀能　

力强，适用于一些需要多点测温的场所，在电厂、变电站　

的应用目前仅限于６～３５　ｋＶ开关柜内的测温。　

２．２与分布式光纤温度传感器的对比　

与分布式光纤温度传感器的对比主要分析的是应用　

在开关柜测温上的对比。在众多的停电事故中，因开关柜　内部设备局部过热引起的停电检修时有发生，采取必要　

的措施实时监测开关柜的温度是非常必要的。开关柜内　

容易产生高温的地方主要有９个点，分别是上静触头　（Ａ，Ｂ，ｃ）相、下静触头（Ａ，Ｂ，ｃ）相和电缆头（Ａ，Ｂ，ｃ）相。　

由于光纤是用光信号表征温度，不带电，不受电磁干扰，　

解决了高电压绝缘问题，是目前被认为用在开关柜内最　

安全可靠的测温手段。　在光纤光栅温度传感器推出之前，开关柜的测温也　

是依靠分布式光纤测温的。在开关动静触头测温时，光纤　安装在静触头处，不会影响测量精度和待测部位的温度　

精度。光纤安装是同一根光纤在一个开关柜内完全敷设　完后，再拉到另外一个开关柜，中间不能断开。柜内敷设　

可采用跨相安装法或就近安装法，由于光纤具有良好的　绝缘性能，加之６　ｋＶ开关柜多为全封闭式结构，防尘性　

能较好，不会造成相间故障。　

光纤光栅温度传感器是点式的，安装起来就方便得、　多。安装在柜体固定部分的静触头上，用耐高温、高导热　

性的粘接剂或金属卡箍将传感器固定到开关柜的静触头　

或动触头上。尾纤长度大于３　ｍ，可有效防止爬电。柜内　传输尾纤最小弯曲半径大于５　ｃｍ。每个开关柜内都装了　

一个小接线盒，把这些尾纤都引接入接线盒，再通过主光　

纤接入主机，一根光纤可以串接多个布拉格光栅。　用于开关柜的测温，这两种光纤传感器都是可行的，　

从原理和安装方式上分析，我们认为光纤光栅温度传感　

器更占优。但光纤光栅的应用还处于起步阶段，目前在韶　关电厂、惠来电厂、湖南鲤鱼江电厂、湛江奥里油电厂等　

多个项目都还是使用分布式光纤进行开关柜测温，系统运　

行情况一直良好。表２对这两种传感器进行了对比总结。　

表２分布式光纤与光纤光栅两种传感器的对比　

性能对比　分　布　式　光　纤　光　纤　光　栅　

一一　激光在光纤中传播时会发生拉曼散射，反射回两种不同波长的Ｓｔｏｋｅｓ光　利用布拉格光栅的温度敏感性能够实时探　Ｊ一『Ｆ　碰　Ａ　ｔｉ　ｔ。ｋ　光，通过对比两束光的强度就可以计算出温度沿光纤的分布曲线。　测光纤光栅探测点的温度变化情况。　探测器形式　线状　线状点式（光纤串接光栅）　温度显示　显示沿线分布温度　显示各测量点温度　测温精度　跟空间分辨率有关，受热长度达到空间分辨率的要求时才准确，一般是１～２ｍ。　跟受热长度无关，准确测量该点温度　抗干扰性　用光信号表征温度，不受电磁干扰。　用光信号表征温度，不受电磁干扰。　

、　连续、长距离的布置，安装工作量大。一台主机连接的光纤可以测开关柜　采集设备可分散在现场，再用光纤串接，安装较　文教　川　温度，也可以用在电缆夹层或皮带等。　简便。主机只能接光栅，不能再与分布式光纤连接。　价格　成本均集中在测温主机上，两种产品价格相近　

２．３应用情况　由于我国对光纤光栅温度传感器的研究相对较晚一　

些，应用在电力系统时间也不长。根据其工作原理和应用　

情况，我们认为用于点式测温还是很有优势的，虽然现在　只是应用在开关柜内，但随着研究工作的发展，日后还将