电力变压器温度的在线监测与诊断毕业论文

电力变压器温度的在线监测与诊断摘要伴随着我国经济的快速发展，我国的电网运行水平也在不断提高，电力变压器是电力系统中最重要的、最昂贵的设备之一，它的可靠性直接关系到电网是否安全、高效、经济的运行。大部分变压器寿命的终结是因为其丧失了应有的绝缘能力，而影响绝缘能力的最主要因素是变压器运行时的绕组温度。如果变压器运行时的绕组最热点温度过低，则变压器的能力就没有得到充分利用，减低了经济效益，而热点温度过高，不仅会影响变压器使用寿命，还将对变压器安全运行造成威胁。电力变压器内部属于高电压、强电磁场环境，对于变压器绕组温度的监测，光纤光栅传感技术与传统的电信号传感技术相比具有无法比拟的优势，尤其是适于电力变压器内部的复杂电磁环境。本论文研究分布式光纤传感器的应用系统，主要包括两方面。首先，深入细致地分析研究了分布式光纤温度传感器系统的原理；分析目前世界上光纤测温的先进技术以及科研成果，采用基于拉曼散射的反斯托克斯和斯托克斯光的光强比较技术，从空间和温度分辨率入手，结合实际情况制定本系统的可行方法。其次对系统的每一部分都以物理公式的推导为基础，以变使系统各部分的构建达到最优化；最终将复杂的系统分解为较为简单的、有利于我们用软硬件实现的部分。其次，在系统原理明确的基础上实现了该系统的光纤采样及后面的软件运算等部分，依据设计方案完成了试验装置，进行了试验研究。关键词：绕组热点温度；光纤光栅；在线监测；分布式光纤传感器；单片机Powertransformeron-linemonitoringanddiagnosisAbstractAlongwiththerapiddevelopmentofeconomyinourcountry,thelevelofpowergridoperationinourcountryarealsoconstantlyimprove,powersystemofpowertransformerisoneofthemostimportantandmostexpensiveequipment,itsreliabilityisdirectlyrelatedtothepowergridissafe,efficientandeconomicoperation.Mostoftheendofthetransformerlifebecauseitlostitsinsulatingability,isthemostimportantfactorswhichaffecttheabilityoftheinsulationtransformerwindingtemperatureatruntime.Iftransformerwindingatruntimethehotspottemperatureistoolow,theabilityofthetransformerisunderutilized,reducedeconomicefficiency,andthehotspottemperatureistoohigh,willnotonlyaffecttheservicelifeofthetransformer,willalsoposeathreattothesafeoperationofthetransformer.Powertransformerinternalbelongtohighvoltageandstrongelectromagneticenvironment,forthetransformerwindingtemperaturemonitoring,fiberBragggratingsensingtechnologycomparedwiththetraditionalelectricalsensortechnologyhasincomparableadvantages,particularlysuitableforpowertransformerinternalcomplexelectromagneticenvironment.Applicationofdistributedfiberopticsensorsystemarestudiedinthispaper,mainlyincludingtwoaspects.Firstofall,analyzeddeeplyandindetailtheprincipleofdistributedopticalfibertemperaturesensorsystem;Analysisofthecurrentopticalfibertemperaturemeasurementintheworldadvancedtechnologyandscientificresearch,basedontheantistokesRamanscatteringandstokeslightintensityismoretechnology,fromtheperspectiveofthespaceresolutionandtemperature,combinedwiththeactualsituationmakethefeasiblemethodofthissystem.Secondlythesystemeachpartbasedonthephysicalformulaisderived,withvariabletooptimizethesystemeachpartofthebuilding;Willeventuallybeacomplexsystemisdecomposedintorelativelysimple,isadvantageoustotheweusepartofthehardwareandsoftwareimplementation.Second,cleartheprinciplesofsystemimplementedonthebasisofthesystemofopticalfiberpartsuchassamplingandthesoftwarebehindtheoperation,accordingtothedesigncompletedtestrig,isresearched.Keyword:Windinghotspottemperature;FiberBragggrating;On-linemonitoring;Distributedopticalfibersensor;Singlechipmicrocomputer目录摘要 ⅠAbstract Ⅱ第一章绪论 11.1本论文的背景和意义 11.2本论文的主要方法和研究进展 11.3本论文的主要内容 11.4本论文的结构安排 1第二章各章题序及标题小2号黑体 22.1各节点一级题序及标题小3号黑体 22.1.1各节的二级题序及标题4号黑体 22.2页眉、页脚说明 22.3段落、字体说明 22.4公式、插图和插表说明 2结论 136参考文献（References） 138致谢 150附录1标题 8附录2标题 9第一章绪论1.1变压器在线监测的意义伴随着我国经济的快速发展，我国的电网运行水平也在不断提高，各级调度中心要求更多的信息，以便及时掌握电网及变电站的运行情况，提高变电站的可控性，进而要求更多地采用远方集中控制、操作、反事故措施等，即采用无人值班的管理模式，以减少人为误操作的可能性，提高运行的可靠性。同时在简化系统，信息共享，减少电缆，减少占地面积，降低造价等方面变电站已改变了运行的面貌，变电站自动化己转向了实用化阶段。国家电网公司先后出台了《国家电网公司“十一五”科技发展规划》、《关于开展电网运行管理控制技术研究和推广应用的实施意见》，将变电站综合自动化技术、高压输变电主设备安全运行技术作为重点技术领域，以便为建设坚强电网提供必要的技术支持和保障。截至2005年底，全国发电装机容量已超过5亿千瓦，预计到2020年我国人均装机容量将达到0.8千瓦，总装机容量也将超过10亿千瓦。在电网规模如此大，电压等级如此高的情况下，一旦发生大面积的停电事故，将给国家造成巨大损失，给人民带来巨大不便，电力系统的可靠性问题就显得尤为重要。电力变压器是电力系统中最重要的、最昂贵的设备之一，它的可靠性直接关系到电网是否安全、高效、经济的运行。电力变压器是电网中能量转换、传输的核心，是国民经济各行各业和千家万户能量来源的必经之路。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事故，则可能导致大面积停电，其检修期一般要半年以上，造成巨大的经济损失。以一套三相500kV，360MVA的大型变压器为例，若发生绝缘故障，其维修费用当在数百万元，停电一天的直接电量损失（按1kWh电0.4元计）达280万元，若计入间接损失和社会损失，那么它给整个社会造成的损失将更大。同时随着特高压项目的起动建设，对变压器工作可靠性的要求更高。因为一旦特高压电网的枢纽电力变压器出现故障，其带来的损失将是500kV等超高压变压器的3~4倍甚至更高。变压器本身也是电力系统中最昂贵设备之一，单以其本身价格计算，进口的250MVA/500kV变压器平均约133万美元/台，国产同规格的也可达到1000万元/台。电力变压器是电力系统中输变电能的高压电气设备，担负着电压、电流的转换及功率传输的任务，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行。由于变压器采用封闭式结构，散热效果差，热积累大，并长期处于高电压、大电流和满负荷运行状态，直接导致热量集结加剧、温度升高，威胁电气绝缘性能。变压器过热故障是常见的多发性故障，它对变压器的安全运行和使用寿命具有严重威胁。长期研究表明，大型电力变压器的运行可靠性在很大程度取决于其绝缘状态。大部分变压器的寿命终结是因为其丧失了应有的绝缘能力，而影响绝缘能力的最主要因素是变压器运行时的绕组温度。变压器绕组最热点的绝缘会因为过热而老化。若绕组最热点的温度过低，则变压器的能力就没有得到充分利用，减低了经济效益。热点温度如超过允许限值，不仅会影响变压器使用寿命，还将对变压器安全运行造成威胁。因此有必要对电力变压器的绕组温度进行在线监测，防止变压器过热以保证变压器安全运行和延长其设备寿命。变压器运行时，有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说，在变压器运行时，在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗，这些损耗将转变为热量发散到周围介质中去，从而引起变压器发热和温度升高。随着绕组及铁心温度的升高，它们与周围的变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质。经过一段时间后，绕组、铁心和油的温度上升达到稳定。一般来讲，由于产生的损耗不同，变压器内部各部分的温度也不同，绕组最高，其次为铁心和变压器油。从变压器绝缘运行寿命看，一般认为应遵循六度法则：变压器绕组年平均温度为98摄氏度，每上升或降低6摄氏度，则变压器寿命降低一半或延长一倍。所以，变压器温度在线监测对保证安全和延长设备寿命都有重要意义。背景和国内外研究现状目前，国内外油浸式变压器在线监测的范围很广，主要包括：(1)利用光纤传感器监测变压器的过热故障,并通过计算实时显示变压器各热点的运行温度；(2)监测油中可燃气体总量；(3)在线监测局部放电,包括电气局部放电、声音局部放电、超高频局部放电、静态局部放电；(4)在线监测套管的功率因数和电容；(5)在线监测油中湿度、温度、酸度；(6)在线监测负载电流；(7)在线监测绕组顶部和底部油温；(8)在线监测铁心接地故障和绕组缺陷；(9)在线监测储油柜的油位,通过安装传感器提供油渗漏信息；(10)在线监测冷却装置的功能及运行情况。在线监测变压器油温和绕组热点温度对早期诊断变压器故障十分重要，但是因变压器结构复杂，影响其安全运行的因素较多，使得在线监测的难度很大。过去一般采用间接的模拟测量方法，准确性差，而且不及时。因此，准确测量油温(尤其是其热点温度)就显得十分重要。由于在线实时监测系统确定绕组热点具有很高的准确性，本研究介绍的变压器在线温度监测系统通过传感器采集不同点的油温，经上位机智能系统的分析，实时监测变压器油的热点温度。光纤传感技术种类很多，根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可以将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。这些类型的光纤传感技术各有优缺点，传感器的形式也种类繁多，就目前来看用于电力变压器内部温度测量的光纤传感系统还不是太多。国外对电气设备状态监测的研究，始于60年代，但直到70~80年代，随着传感器、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。利用半导体材料的光吸收与温度的关系，可以制成半导体透射式和反射式光纤温度传感器。半导体材料的吸收波长随着温度的增加而向长波长位移，选择适当的半导体光源，使其光谱范围正好在吸收区域，这样透过半导体材料的光强随温度的增加而减少，而从半导体材料反射回来的光强随温度的增加而增加，利用光探测器检测出光强的大小进而检测出温度。国外已尝试利用半导体吸收式光纤温度传感器实现对大型电力设备的温度状况进行检测，而且取得了较好的效果。国内有学者用砷化镓半导体晶片做敏感元件，用发光二极管做光源，光电二极管作为光电转换元件，构成了半导体吸收式光纤温度传感器并对其进行了研究。这种传感器结构比较简单，成本低廉且便于制作，其主要缺点是这种技术对光强度的改变比较敏感，测量前需要对光强与温度的对应关系进行标定。因为光强度不仅与检测的温度有关，其还与光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗、光探测器性能等因素有关，所以其受干扰的情况也比较严重。荧光光纤测温技术也是近年来光纤测温领域的一个研究热点。在绕组靠近导线部分埋设光纤传感器来测温，温度传感器采用的是一种稳定的耐高温的荧光材料，LED光源发出的光脉冲通过光纤送到与绕组接触的温度传感器，该脉冲激励传感器的荧光材料，使其产生波长较长的荧光，根据返回荧光的衰减时间测出该传感器的温度（需进行温度矫正）。这种温度传感器对变压器绕组温度监测在上世纪八十年代就有应用，典型产品是美国Luxtron公司研制的WTS-11型变压器绕组温度光纤荧光型监测系统，能在0~200℃范围内，达到1℃的测温分辨率，最快能每10s测量一次，光纤长度带探头光纤最长可达到10m，能广泛应用在电力变压器，负载的抽头转换开关，高压开关柜母线温度和母线开关的监测场合。这种方法一般在制造或绕组改造过程中埋设测点才可能实施，如能多埋设几点可能碰上真正的最热点，测量结果比较准确，但维护技术复杂，绝缘处理比较困难，其价格也非常昂贵，四探头的典型价格为二十多万人民币。上述两种测温系统原理简单，对微弱信号的检测比较容易实现，均为单点式测量，但是由于其原理上的限制，不能进行光路复用，如果要测量多个不同位置，则每个位置都需要引出光纤。对于变压器内部温度的分布测量需要采用多个传感头，引出多条光纤通道，因此其应用会受到一定限制。要获得一定跨度范围的整个温度信息，使用单点移动式或由多个单点组成的准分布式传感方式既浪费资源又在布线上造成很大的困难，这时若使用分布式光纤温度传感器显然是最有效的方法。分布式光纤温度传感器通常是将光纤沿温度场分布，借助于光在传输时光时域后向散射技术，根据散射光所携带的温度信息来进行测量温度。目前研究最多，最有影响力的基于散射机理的分布式光纤温度传感器系统有基于光纤瑞利散射的光时域反射测量系统，基于光纤喇曼散射的光时域反射测量系统和基于光纤布里渊散射的光时域反射测量系统。以目前的研究成果来看，分布式光纤测温系统的测温误差一般为几个摄氏度，定位误差为一米左右，在电力系统中主要应用于电缆的分布温度监测中。对于变压器内部温度的监测其定位误差显然较大，若提高其定位的精度就又会降低其对温度的分辨率，所以这种温度监测系统在变压器内部温度的监测应用还需要进一步研究。近年来迅速发展的光纤光栅(FiberBraggGrating,FBG)传感器由于其特殊的结构为市场提供了一种新的温度监测系统。光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件。当外界的被测量温度、应力等改变时都会导致反射光的中心波长发生变化。由于光纤光栅对被感测信息用波长编码，而波长是一种绝对参量，它不会受到光源功率波动以及光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，因而光纤光栅传感器具有非常好的可靠性和稳定性。由于光纤光栅与光纤之间存在固有的兼容性，容易实现波分复用和准分布式传感。光纤光栅在高压设备温度检测中的应用也在研究中，如德国西门子公司正在将光纤光栅传感器用于气冷涡轮发电机定子的温度监测中，光纤光栅经过特殊的封装，以保证在真空和4×105Pa压强下没有形变，并且对160℃温度下环氧树脂中的化学和物理变化不敏感，其目标是连续测量范围从20~160℃，测量精度小于1℃。而在国内光纤光栅在高压设备中的温度检测的应用仍处于研发阶段，缺乏国家权威标准,制造工艺及质量控制等方面都难以满足市场及安装要求，尚有许多关键技术和工艺问题需要进一步研究和完善。分布式光纤光栅测温系统测温精度高，空间定位准确。每个传感器的长度为几厘米，直径为几毫米，传感器之间采用自然连接，耦合器连接或者熔接均可，并且传感器间距可以从一厘米到几百米，易于安装维护与系统拓展，但是它的不足之处主要是对波长移位的检测需要较复杂的技术和较昂贵的仪器。1.3论文的主要内容和结构安排根据行业标准与原有电力变压器在线监测与诊断系统运行经验，并结合自己的体会。本课题主要研究以下内容：1．总结电力变压器的常见故障类型2．总结电力变压器的故障检测方法3.分析变压器在线监测系统的总体功能4.阐述了运用光纤光栅传感器技术的优势；5.分析了光纤光栅的传感理论，主要利用耦合模理论分析了均匀周期光纤布喇格光栅的传输特性，并研究了光纤布拉格光栅的温度特性和应变特性；6.光纤传感器对变压器温度监测与诊断的工作原理7.分析了常用的分布式光纤光栅解调技术，并最终选用对强度波分复用解调法进行改进的技术来实现对温度的在线监测，设计了一种双通道分布式光纤光栅温度在线监测系统。8.电力变压器温度在线监测系统的硬件电路设计和软件设计。第二章电力变压器的常见故障类型及诊断2.1变压器油故障原因及处理(1)变压器渗油变压器质量问题造成渗油变压器在制造过程中因铸造、焊接质量不合格，造成砂眼、气孔、虚焊、脱焊等现象而使变压器渗、漏油.这就需要加强出厂验收，防止制造缺陷。对于因铸造产生的砂眼、气孔和焊缝、焊点处出现的虚焊、脱焊、裂纹造成的平面接缝处渗油，如果渗漏点较小，可以直接对其进行焊接；漏点较大时，应先填充石棉绳或金属填料，在四周堆焊，再采用小焊条大电流快速引弧补焊。对于拐角及加强筋连接处的渗油或者补焊后仍渗漏的，则需要使用铁板在两面连接处将铁板裁成纺锤状再补焊。密封不严造成渗油变压器渗漏多发生在密封胶垫处，主要是由于密封垫耐油性能差，在高温下老化速度快造成的。因此，在购买或检修更换密封胶垫时，应选择耐油性、耐高温、抗老化能力强的密封垫，如丁腈橡胶、氟橡胶等。如果密封垫压紧面上有异物，接触面糙、偏斜都会出现渗漏。检修时如发现异物，应先取出异物再压紧。对于粗糙处，应打磨平整或用速效堵漏密封胶将凹处填平；或采用有密封槽或有限位圆钢(方钢)结构的合适的、合格的密封垫。(2)变压器油温异常变压器正常工作时，上层油温应控制在85e以下。油温过高的原因主要有：冷却装置运行不正常、内部紧固螺丝接头松动、内部短路放电以及变压器过负荷运行等。排除故障时，首先要检查冷却装置运行是否正常，变压器是否过负荷。若变压器处于超负荷运行状态，就要立刻减轻变压器负荷；如果负荷减轻后变压器的温度依然没有明显下降，就要立刻切断电源，查找故障原因。(3)变压器油质异常新投入运行的变压器，其油质应为浅黄色，运行一段时间后，逐渐变成浅红色。如果变压器油色发黑，说明油质变坏。主要原因可能是由于变压器在使用过程中，油温经常过热、使用时间过长、运行时侵入潮气或漏进雨水等。为防止绕组与外壳间或线圈绕组间发生击穿，应立即取样进行化验分析，检验合格方可继续运行。正常老化过程中产生的气体主要是CO和CO2，如果油质异常，在电或热的作用下会产生各种气体。对判断故障有价值的气体有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气、一氧化碳、二氧化碳，气体不同，引起故障的原因不同。(4)变压器油位异常正常运行时，变压器油位应在油位计的1/3~1/4处。油位下降或上升主要取决于油温的下降或上升。因此，在装油时，一定要结合当地气温选择注油的合适高度。如果变压器油位低于变压器的上盖则可能导致瓦斯保护误动作，严重时，会导致变压器线圈或引线油面露出，引发绝缘击穿事故。引起油位过低的原因主要有：环境温度过低、壳体渗油、变压器放油后没有及时补油等。如果油位过高，则易引起溢油。如果油温发生变化时，起油标的油位没有跟随变化，说明油位是假的，其原因可能是由于油标管堵塞、防爆管通气孔堵塞、呼吸管堵塞等。这就要求经常检查油位计，保证变压器安全稳定运行。2.2变压器短路故障、原因及处理变压器短路故障主要有:变压器出口短路，变压器内部引线或绕组间对地短路、相间短路等。最常见的是单相线圈的线匝之间、层间的短路，当短路电流很大时，线圈就会产生严重变形，使故障进一步扩大.主要原因有：制作绕组时，导线的表面有毛刺或尖棱、绝缘扭伤、接头焊接不良；变压器未经干燥处理，在运行中受潮等。变压器带电部分对地短路的主要原因是变压器长期过负荷运行，绝缘老化，变压器油变质、内部绝缘有缺陷而使局部放电逐步加大，热稳定失衡或局部电击穿等。由于大气过电压或操作过电压，使绕组匝间或相间绝缘被击穿而发生短路；如果线圈绕得不紧，线匝间绝缘在负载激烈变化时，绝缘纸摩擦破损反复重合闸，也会造成匝间短路；变压器油面过低或散热受限，致使绕组温度过高而损坏绝缘造成整体短路等，都会使变压器发生短路故障。如果发生匝间短路，就会使各相直流电阻表现不平衡，导致电源侧电流略有增大，变压器过热，油温增高，甚至会有冒泡声.匝间短路较轻时，可引起瓦斯保护动作；严重时，可能造成电源侧过流保护或者差动保护动作。防止这种现象发生就要做到规范设计，重视线圈制造的轴向压紧工艺；对变压器进行短路试验；加强运行维护，使用可靠的短路保护系统，如采用差动保护和变压器本身的重瓦斯动作来保护。2.3变压器自动跳闸故障及处理当变压器各侧断路器自动跳闸后，应先将跳闸断路器的控制开关操作至跳闸后的位置，并迅速投入备用变压器，调整运行方式和负荷分配，维持运行系统及其设备处于正常状态，然后进行外部检查，查明引起跳闸的原因。如果是由于工作人员失误或者操作器误动作或外部故障，而非内部故障，则可越过内部检查步骤，直接投入送电；如果属于差动保护、重瓦斯保护或电流速断保护等主保护动作，且发生故障时有冲击现象，就需对变压器及其系统进行详细检查，并且停电进行绝缘测量。在没有查清原因之前，严禁将变压器投入运行。必须指出，不管系统有没有备用的电源，绝对不允许将变压器强制送电。2.4

异常响声(1)

音响较大而嘈杂时，可能是变压器铁芯的问题。例如，夹件或压紧铁芯的螺钉松动时，仪表的指示一般正常，绝缘油的颜色、温度与油位也无大变化，这时应停止变压器的运行，进行检查。(2)

音响中夹有水的沸腾声，发出"咕噜咕噜"的气泡逸出声，可能是绕组有较严重的故障，使其附近的零件严重发热使油气化。分接开关的接触不良而局部点有严重过热或变压器匝间短路，都会发出这种声音。此时，应立即停止变压器运行，进行检修。(3)

音响中夹有爆炸声，既大又不均匀时，可能是变压器的器身绝缘有击穿现象。这时，应将变压器停止运行，进行检修。(4)

音响中夹有放电的"吱吱"声时，可能是变压器器身或套管发生表面局部放电。如果是套管的问题，在气候恶劣或夜间时，还可见到电晕辉光或蓝色、紫色的小火花，此时，应清理套管表面的脏污，再涂上硅油或硅脂等涂料。此时，要停下变压器，检查铁芯接地与各带电部位对地的距离是否符合要求。(5)

音响中夹有连续的、有规律的撞击或摩擦声时，可能是变压器某些部件因铁芯振动而造成机械接触，或者是因为静电放电引起的异常响声，而各种测量表计指示和温度均无反应，这类响声虽然异常，但对运行无大危害，不必立即停止运行，可在计划检修时予以排除。2.5温度异常变压器在负荷和散热条件、环境温度都不变的情况下，较原来同条件时的温度高，并有不断升高的趋势，也是变压器温度异常升高，与超极限温度升高同样是变压器故障象征。引起温度异常升高的原因有：①变压器匝间、层间、股间短路；②变压器铁芯局部短路；③因漏磁或涡流引起油箱、箱盖等发热；④长期过负荷运行，事故过负荷；⑤散热条件恶化等。运行时发现变压器温度异常，应先查明原因后，再采取相应的措施予以排除，把温度降下来，如果是变压器内部故障引起的，应停止运行，进行检修。2.6喷油爆炸喷油爆炸的原因是变压器内部的故障短路电流和高温电弧使变压器油迅速老化，而继电保护装置又未能及时切断电源，使故障较长时间持续存在，使箱体内部压力持续增长，高压的油气从防爆管或箱体其它强度薄弱之处喷出形成事故。(1)

绝缘损坏：匝间短路等局部过热使绝缘损坏；变压器进水使绝缘受潮损坏；雷击等过电压使绝缘损坏等导致内部短路的基本因素。(2)

断线产生电弧：线组导线焊接不良、引线连接松动等因素在大电流冲击下可能造成断线，断点处产生高温电弧使油气化促使内部压力增高。(3)

调压分接开关故障：配电变压器高压绕组的调压段线圈是经分接开关连接在一起的，分接开关触头串接在高压绕组回路中，和绕组一起通过负荷电流和短路电流，如分接开关动静触头发热，跳火起弧，使调压段线圈短路。2.7套管闪络变压器套管积垢，在大雾或小雨时造成污闪，使变压器高压侧单相接地或相间短路。变压器套管因外力冲撞或机械应力、热应力而破损也是引起闪络的因素。变压器箱盖上落异物，如大风将树枝吹落在箱盖时引起套管放电或相间短路。以上对变压器的声音、温度、油位、外观及其他现象对配电变压器故障的判断，只能作为现场直观的初步判断。因为，变压器的内部故障不仅是单一方面的直观反映，它涉及诸多因素，有时甚至会出现假象。必要时必须进行变压器特性试验及综合分析，才能准确可靠地找出故障原因，判明事故性质，提出较完备的合理的处理方法。第三章电力变压器的故障检测方法和监测系统总体功能电力变压器故障从发展过程上可分为两大类：即突发性故障和潜伏性故障。突发性故障发展过程很快，瞬间就会造成严重后果。如雷击、误操作、负荷突变等。突发性故障具有偶然性，且没有一个供运行人员进行监测分析和维护的过程，只能通过避雷器、继电保护、高频保护等手段，使突发性故障被限制在最小的范围之内。电力变压器的潜伏性故障一般有三种：即变压器内部的局部放电、局部过热和变压器绝缘的老化。3.1变压器内部局部放电的检测方法1、超声检测法用固定在变压器油箱壁上的超声传感器接收变压器内部局放产生的超声波来检测局放的大小和位置。通常采用的超声传感器为压电传感器，为避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声，选用的频率范围为70～150kHz。超声检测法主要用于定性判断是否有局放信号，结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。2、光测法光测法是利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中，各种放电发出的光波长不同，光电转换后，通过检测光电流的特征可以实现局放的识别。虽然在实验室中利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展，但由于光测法设备复杂、昂贵、灵敏度低，在实际中并未直接使用。尽管如此，光纤技术作为超声技术的辅助手段应用于局放检测，将光纤伸入到变压器油中，当变压器内部发生局放时，超声波在油中传播，这种机械力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光纤折射率和光纤长度发生变化，从而光波被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，实现放电定位。3、电脉冲法电脉冲法又称脉冲电流法，通过检测阻抗、变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线及绕组中由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量。电脉冲法技术的关键是如何有效地识别和抑制干扰，将真正的局放信号提取。4、射频检测法利用罗哥夫斯基线圈从电气设备的中性点处测取信号，测量的信号频率可达30MHz，提高了局放的测量频率。该测试系统安装方便，检测设备不改变电力系统运行方式。但对于三相变压器而言，该测试系统得到的信号是三相局放量的总和，无法进行分辨，信号容易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展，该方法在局放在线监测中已有较广泛的应用，尤其是在发电机在线监测领域。5、超高频检测法超高频局放检测通过检测变压器内部局放产生的超高频(300～3000MHz)电信号，实现局部放电的检测和定位，UHF法和脉冲电流法不同，脉冲电流法的频率测量范围一般不超过1MHz，UHF法的频率范围为300～3000MHz[3]。脉冲电流法中将试品看作一个集中参数的对地电容，发生一次局放时，试品电容两端产生一个瞬时的电压变化，通过耦合电容在检测阻抗中产生一个脉冲电流；而UHF法中传感器并非起电容耦合的作用，而是接收超高频信号的天线。6、甚高频法甚高频法与UHF法类似，它检测信号的频率范围在30～300MHz。虽然这个频率范围可避开一些电晕干扰，但并不能完全排除。由于甚高频法会受到一些电晕干扰的影响，所以，现场应用时不使用外置传感器，而只采用内置传感器来获取PD信号。同时，用甚高频法也可以对PD进行定位。甚高频法的主要优点是对放电量的校准比较可靠。7、超声波监测法局部放电所伴随的爆裂状的声发射，会产生超声波并以球面波的形式快速向四面八方传播。因此，一旦能设法截取到这种超声波，就可以判断是否有局部放电的发生，进而可以对局部放电位置进行定位。这种局部放电的监测方法就称之为超声波检测法。超声波监测PD，首先要在变压器箱壁上的不同位置安放多个超声波传感器。由于它们相对于局放源的位置不同，接收到的超声波信号之间存在时间差，通过计算就能相对准确地定位出局放源的位置。超声波监测法有灵敏度高，能对局放源定位等优点。但由于超声波传输的多路径问题（这是由于超声波在不同介质间传播速度的差异引起的），注定了这种定位是粗糙的，难以进行定量。另外，因为超声波传感器通常频带为30～200kHz。所以该方法存在受环境噪声、电磁干扰等问题和本身衰减等因素影响，所以运用该方法的精度往往不够，时有误测漏测。3.2变压器内部局部过热的检测局部过热故障包括接点接触不良、磁路故障、导体故障等。变压器油和固体绝缘材料在电或热的作用下分解产生一些特征气体。在不同的运行状态下，外界对变压器油的理化作用不同，产生的气体的成分和含量也不相同。正常运行中，变压器内部绝缘油与固体绝缘材料会产生一些非气态的劣化产物外，还产生少量的氢、低分子烃类气体和碳的氧化物等。其中碳的氧化物(CO、CO2)成分最多，其次是氢和烃类气体。当发生过热性故障时，热点只影响到绝缘油的分解而不涉及固体绝缘的裸金属过热性故障。油中溶解气体以CH4和C2H4为特征气体，二者之和常占总烃的80%以上。故障点温度较低时，甲烷占的比例大。随着热点温度的升高(500e以上)，乙烯、氢组分急剧增加，比例增大。当严重过热(800e)时，也会产生少量乙炔，但其含量不超过乙烯量的10%。涉及固体绝缘的过热性故障时，除产生上述的低分子烃类气体外，还产生较多的CO、CO2。随着温度的升高，CO、CO2比值逐渐增大。因此，根据《电力系统预防性试验规程》及导则，通过分析油中溶解气体的成分、特征气体含量、变化趋势、IEC三比值法来判断变压器是否存在内部潜伏性故障及故障的性质。1、磁回路过热性故障判据在四比值法中，当CH4/H2=1~3，C2H6/CH4<1，C2H4/C2H6>3，C2H2/CH4<0.5时，变压器存在磁回路过热性故障。2、将三比值法与磁回路过热判据结合使用来判断磁回路与导电回路的过热性故障。3、超声一光纤监测法光纤传感器利用光线本身或外部敏感元件将声信号转变成光强信号的变化，再转变成电信号。利用光纤传输光波的特性和外加光源以及光敏元件可以构成两种类型的光纤传感器，即功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器。功能型光纤传感器一般采用单模光纤，光纤同时起传输和传感作用，即光纤本身即是敏感元件。该类传感器利用光纤本身的传输特性（光强、波长、相位和频率等）受被测量物的作用而发生变化，即被调制，在输出端通过合适的解调而测量被测量物，能测量作用于光纤的微弱信号。非功能型光纤传感器一般采用多模光纤，光纤不再是敏感元件，而是在光纤端面或者接合处放置机械式或者光学式的敏感元件来感受被测量物的变化，从而光纤本身只起传输作用。这类光纤传感器易实现，但是测量精度和灵敏度较低。3.3绝缘老化及其检测大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。电力变压器的绝缘基本上可以分为二种：液体绝缘和固体绝缘。由于长时间的运行受温度、局部放电、杂质等多种因素的影响，绝缘介质会发生老化，使绝缘性能下降，影响到变压器运行的可靠性。绝缘介质老化往往反映在绝缘介质在交变电场的使用下，其极化过程发生了改变，非弹性极化增强,使极化过程中的有功损耗增加，使绝缘介质的介质损耗率增大。可以采用测量电力变压器绝缘套管电压与套管末屏接地电流间相位差的方法，对绝缘套管介质损耗进行监测。1、变压器油色谱在线监测在变压器运行中，绝缘油和有机绝缘材料在放电和过热作用下，会逐渐老化和分解，产生少量低分子烃类气体如氢气（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）等特征气体，并大量溶解在油中。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此，分析溶解于油中的气体，就能尽早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。变压器油色谱在线监测系统由油气分离、混合气体分离、气体监测、数据处理和故障诊断等环节组成。油色谱在线监测虽然已经很普遍地被运用，但也有许多缺点：首先，气体传感器对所监测各种气体均敏感，准确度不高，目前国内的产品准确度都达不到25%。其次，由于脱气速度慢，所以检测周期较长不能做到理想的“即时在线”监测的任务；而且因为色谱仪设备复杂，检测过程会消耗样气和载气，长期使用过程中色谱柱和传感器的性能会逐渐老化，为保证准确度，需要定期用标准气体对监测装置进行校准，需要大量的系统维护工作。2、红外吸收光谱法利用红外光谱法还可以对变压器油析出气体的单一组分或混合物中各组分进行定量分析，尤其是对于一些较难分离，并在紫外、可见光区找不到明显特征峰的样品可方便、迅速地完成定量分析。光谱法可测量甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）和乙炔（C2H2）等故障气体，与色谱法相比，它的优势是安装方便，维护工作量少，但仍需要现场脱气和定时检测且有灵敏度不高等缺点。3.4变压器故障综合检测方法1、罗杰斯比值法罗杰斯比值法是利用CH4、H2、C2H2、C2H6和C2H4等5种气体间的4对比值来判断变压器内部故障性质的方法,经实践表明,具有所需油样少、分析速度快的优点,是变压器故障诊断的一个有效方法。罗杰斯比值法总结出了气体比值代码和故障类型之间的内在联系,如表1所示。从粗糙集理论的观点,罗杰斯比值法的故障诊断表也是一张决策表。条件属性集为CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6和C2H2/C2H4这4对气体的比值,决策属性为诊断结果。2、特征气体法故障点产生气体的特征是随故障类型、故障能量的级别以及所涉及的绝缘材料的不同而不同。随着故障点温度的升高,CH4所占的比例逐渐减少,而C2H4和C2H2所占的比例逐渐增加,严重过热时将产生适当数量的C2H2,当达到电弧弧道温度时,C2H2将成为主要成分,因此可用表2所列的方法判断故障性质,其中特征气体注意值:H2<0.15%;C2H2<5*10-4%;总烃(CH4+C2H4+C2H6+C2H2)<0.15%。用特征气体法应注意以下问题:(1)C2H2是故障点周围绝缘油分解的特征气体,其含量是区分过热和放电2种性质的主要指标。但出现高温热点时也会产生少量C2H2,因此不应认为凡有C2H2出现都视为放电性故障。另外,低能量的局部放电并不产生C2H2或只产生少量的C2H2。(2)如果H2的含量增大,而其它成分不增加时,有可能是设备进水或有泡存在,引起铁和水的化学反应。3.5变压器温度监测方法变压器是变电站重要设备之一。变压器运行时，其绕组和铁芯的电能损耗都能转化为热能。为了有效地监测变压器温度，防止变压器的绝缘老化，延长变压器的运行寿命，必须采用更先进、更可靠的监测手段。下面着重阐述独立式电阻传感器测温和压力式温控器测温及运行中常见故障。3.5.1温度及其测量温度是衡量物体冷热程度的物理量。温度的测量是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性通过测量该性能参数从而达到测量温度的目的。温度测量有两种基本形式：接触式测量和非接触式测量（一）接触式测量接触式测量是以“处于同一平衡状态下的物体具有相同温度”的原理为基础，测量时仪表的触头要与被测物处于热平衡状态，显示结果才准确。接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。（二）非接触式测量非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、X光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转换为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触式测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒。3.5.2变压器温度的监测变压器温度的测试主要是接触式测温，测试方法介绍以下两种。（一）独立式电阻传感器测温独立式电阻传感器测温主要用于变压器上层油温的测量。传感器：是指将感受到的物理量、化学量等信息，按照一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。独立式电阻传感器的结构：由热电阻、绝缘套管、保护套管、接线盒及接线盒盖组成。独立式电阻传感器测温工作原理：采用热电阻作为测温元件，利用金属导体的电阻值随温度变化而改变的特性来进行测量的。纯金属及多数合金的电阻率随温度升高而增加，即具有正的温度系数。在一定温度范围内，电阻-温度关系是线性的。温度的变化可导致金属导体电阻的变化。这样，只要测出电阻值的变化，就可达到测量温度的目的。电阻与温度的关系可用下式表示为Rt=R0〔1+a0﹙t-t0﹚〕Rt为温度t时的电阻值；R0为温度t0时的电阻值；t0为起始温度；一般规定为0℃；a0为温度系数（以0℃为起始温度）。独立式电阻传感器测温常见的故障有:热电阻电阻丝之间短路或接地；热电阻电阻丝断开；保护套管内有积水或污物，局部短路；电阻元件接线盒间引出导线断路：连接导线接触不良使电阻值增大或有局部短路等。（二）压力式温控器测温压力式温控器的结构及原理：主要有弹性元件（波纹管和弹簧管）、毛细管和温包组成，三部分所构成的密闭系统内充填感温介质，当被测温度变化时，温包内的感温介质所产生的压力随之改变。压力的变化通过毛细管道传递到仪表内的弹性元件，使弹性元件产生位移，经传动机构放大后，于标度盘上指示出被测液体的温度。同时压力的变化经机械传动迫使微动开关动作，输出信号。这些微动开关分别用于控制变压器冷却系统、温升报警系统、温升跳闸系统，达到指示变压器油温和控制温升的目的。压力式温控器仪表的特点：1、触点功率大，温度指示控制器采用功率较大的微动开关，简化了控制电路，提高了变压器运行的可靠性。2、设定温度可调，温度指示控制器内有两组接点用户可根据需要在规定的范围内设定温度。3、标尺指示范围大，温度指示控制器分设定温度指示和实际温度指示。设定温度指示分左、右两个刻度盘，各自可独立设定，实际温度指示为圆弧270分度，具有指示范围大、指示清晰的特点。随着变电站综合自动化系统的广泛应用，变压器温度测量不仅要有本体温度的指示，还要有数据远传到数百米远的控制室里在计算机上显示出来。压力式温控器及电接点仅完成本体温度监控功能，而远方微机监测及越限报警等功能则需要加装非电量/电量转换变送器后再进行A/D转换，送到监控微机进行数据处理。3.5.3变压器冷却系统的温度控制及运行温度变压器冷却系统控制逻辑有“手动”和“自动”两种方式，“自动”方式是指按变压器顶层油温控制冷却器的启、停,片式、管式散热器的冷却器包括风扇电机和油泵电机的控制。对于采用风冷冷却器（散热器）的变压器，变压器上安装两块温度计，温度指示一般使用压立式温度计，表计安装在变压器本体易于观测的部位，一般规定当变压器顶层油温达到75℃时报警，并将报警信号传送到中控室。当变压器顶层油温达到55℃时，投入风扇，当油面温度达到45℃时，退出风扇。3.6变压器在线监测系统的总体功能变压器在线监测的目的，就是通过对变压器特征信号的采集和分析，判别出变压器的状态，以期检测出变压器的初期故障，并监测故障状态的发展趋势。油中溶解性气体分析技术。由于变压器内部不同的故障会产生不同的气体，因此通过分析油中气体的成分、含量、产气率和相对百分比，就可达到对变压器绝缘诊断的目的。几种典型的油中溶解气体，如H2、CO、CH4、C2H6、C2H4和C2H2，常被用作分析的特征气体。在检测出各气体成分及含量后，用特征气体法或比值法等方法判断变压器的内部故障。局部放电在线监测技术。变压器在内部出现故障或运行条件恶劣时，会由于局部场强过高而产生局部放电（PD）。PD水平及其增长速率的明显变化，能够指示变压器内部正在发生的变化或反映绝缘中由于某些缺陷状态而产生的固体绝缘的空洞、金属粒子和气泡等。振动分析法。振动分析法就是一种广泛用于监测这种变压器故障的有效方法。通过对变压器振动信号的监测和分析，从而达到对变压器状态监测的目的。红外测温技术。红外热像技术是利用红外探测器接受被测目标的红外辐射信号，经放大处理，转换成标准视频信号，然后通过电视屏或监视器显示红外热像图。当变压器引线接触不良、过负荷运行等情况时都会引起导电回路局部过热，铁芯多点接地也会引起铁芯过热。频率响应分析法。频率响应分析法是一种用于判断变压器绕组或引线结构是否偏移的有效方法。绕组机械位移会产生细微的电感或电容的改变，而频率响应法正是通过测量这种细微的改变来达到监测变压器绕组状态的目的。绕组温度指示。绕组温度指示器就是用于监测变压器绕组的温度，给出越限报警，并在需要时启动保护跳闸。目前已开发出一种用于大型变压器绕组温度监测的新技术，即将一条光纤嵌入变压器绕组以便直接测量绕组的实时温度，从而改进变压器的预测建模技术，并达到实时监测变压器绕组温度状态的目的。第四章分布式光纤光栅温度传感的理论基础4.1分布式光纤光栅传感器技术的优势我国60年代就提出了不少电信号传感器测量试验方法，早期的电气设备在线监测系统经现场试用考验，出现长期运行稳定性较差，寿命短，维护工作量大等问题。大部分电厂和变电站采用的基于电信号传感器的测温系统，如电阻温度计，热电偶等，这类电信号的传感器易受电磁干扰，测量效果不是很理想。红外温度传感器测量法测温灵敏度和准确度都很高，但红外测温为非接触测量，易受环境及周围的电磁场干扰，且需人工操作，无法实现在线测量。另外该方法还需要知道被测物体的发射率，要保证被测物体的辐射充分抵达红外探测器，还要尽量消除背景噪声。光纤测温仪测量法维护技术复杂，绝缘处理比较困难，价格也十分昂贵，而且光纤测温系统的扫描时间比较长。电力变压器内部属于高电压、强电磁场环境，若采用常规的电信号传感器来测量变压器内部的温度（特别是绕组的热点温度），如电信号传感器测量、光纤测温仪测量和红外温度传感器测量这三种方法都没有和变压器绕组真正接触，因此测得的温度不一定是绕组的温度，将难以满足要求。光纤光栅传感技术相比传统的电信号传感技术有无法比拟的优势，尤其是适于电力变压器内部的复杂电磁环境。由光纤光栅组成的传感器与传统的电传感器相比具有以下优点。(1)绝缘性能好，能实现多点测量。光纤传感器所用材料主要是石英光纤自身就是绝缘体，结构简单。分布式光纤光栅能在一根光纤上完成十个以上点的测温。(2)测量范围大，灵敏度高，线性度好，频率响应范围宽，测量精度高。光纤光栅可实现90%以上的线性度以及0~300摄氏度的充足测量范围，这是传统的电传感器所无法比拟的。(3)由光来传输信号，抗电磁干扰能力强，避免了由电引起的石油易燃易爆等问题。(4)体积小，重量轻。光纤传感器的传感头，重量小于1公斤。(5)适应电力计量、保护的数字式、微机化、自动化及光通信等的发展潮流。另外，光纤光栅传感器相对于其他传感器还具有抗电磁干扰性强、可应用在恶劣的环境中、可实现传输低损耗的分布式传感网络的优点，并且光纤光栅温度传感器还可以粘贴在变压器绕组上来测量绕组温度，这样不但保证测得的温度是绕组的温度，还可以解决埋设传感器技术复杂、价格昂贵的问题，同时提高灵敏度和测量精度。4.2光时域反射(OTDR)技术原理从本质上讲，分布式光纤温度传感器都是从OTDR(0PTICALTIMEDOMAINREFLECTOR)技术上发展而来。这种光时域反射技术是用来对光纤通信中光纤电缆故障检测而创立的，图4.1表示了OTDR的基本原理。图4.1光学时域反射计原理框图早期的分布式测温是用某种方式来调制集光系数和不同于散射损耗的其它损耗机制来实现，但是这些方案只能传感有限长度(或点数)，仅适用于很短距离的分布系统。对于较长距离的分布测温应用，基于散射机理的分布传感系统显示出无比的优越性。1980年罗杰斯首次提出了利用OTDR原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中时，通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。图4.2以OTDR技术中最常见的应用方式描述了其工作原理。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生散射。散射是由光纤中非传播的局域密度的不均匀和成分的不均匀所致，这种不均匀性是在拉纤阶段，二氧化硅由熔融态转变为凝固态的过程中形成的。激光脉冲在光纤中所走过的路程可用下式描述2L=vt(4-1)式中：t—入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间；v—光在光纤中传播的速度v=C／n，C为真空中的光速，n为光纤的折射率；L一光纤某处到光纤入射端的距离；在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的散射光。由式(4—1)可以确定散射所发生的位置，通过对散射信号强度的分析后来确定此位置处光纤的物理特性。如光纤有断裂或接头，那么与此相对应的后向散射光信号将出现一个突变尖峰。系统的基本工作过程是将窄的高强度光脉冲入射光纤后，测量该脉冲后向散射信号的时间函数。信号包括脉冲沿光纤向前传输过程中的散射光和在返回方向上被导向器(Waveguide)回收的光，它是散射单元dx位置z的函数，可表示为（4—2）式中Pj——发射功率W——脉冲宽度——散射波在光纤中的传播速度——分别为散射损耗和总损耗系数，是位置z的函数——俘获率，代表光学系统收集到的散射光的比例俘获率可近似地由光纤数值孔径NA和纤芯折射系数的关系式得出，即(4—3)式(4—3)对单模光纤和梯度多模光纤均适合。测量位置可由脉冲从入射端到该点，再由该点返回所用的时间讨算出来。由式(4-2)可知，散射损失和局部俘获率直接影响着信号的大小，局部光纤总损耗系数间接地影响着信号的大小。显然，要想在分布式光纤传感器中使用光学反射方法进行测量，，，，必须具备以下两个条件：(1)是被测量的函数；(2)能从所有其它环境影响参数分离出来。从已有结果看，用光学反射方法可测量温度、应变和压力等物理量。基于此原理，人们通过利用各种物理效应，将温度、压力、电场、磁场等待测的物理量调制到后向散射光上，通过计时和解调后向散射光，人们就既可知道此物力量的强度大小，又可知道此物理量的空间分布。在后向散射光中包含有瑞利散射，拉曼散射，布里渊散射。光纤中最强的散射是Rayleigh散射。但是它也约只是入射光的-45dB。实验和理论都发现玻璃(它是组成光纤的主要成分)的Rayleigh散射系数的温度灵敏度极其微弱。因此，实现基于Rayleigh后向散射的全光纤的温度分布系统是很困难的。用OTDR技术可以确定光纤处的损耗、光纤故障点、断点位置，对测量点定位，因此也可以称为光纤雷达。以后向Rayleigh散射为基础的光学时域反射(OTDR)法能够探测出光纤中模式耦合点的位置。OTDR技术作为分布式传感的基础，目前在大多数分布式光纤传感系统中得到应用，本课题所研究的分布式温度传感系统中也正是基于OTDR技术来实现分布式传感测量的。拉曼散射原理光纤中的Raman散射理论是一个很复杂的问题，它的研究为分布式光纤温度传感器奠定了传感的理论基础，对传感器系统光源的选用、传感光纤的选取和信号处理系统的设计也都起着非常重要的作用。本节介绍了Raman散射，接着对传感光纤中Raman散射进行了理论分析。对后面在分布光纤温度传感器信号处理系统中的研究作了理论上的铺垫。拉曼散射的基本原理在任何分子介质中，自发拉曼散射将一小部分(一般约为)入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束中，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。激发光子与光纤分子的相互作用，分为弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞过程中，光子与分子间并不交换能量，因此只是改变光子的运动方向并不改变激发光子的波长(即光子的能量)；在非弹性碰撞过程中，光子与分子之间的相互作用存在着能量交换，光子可以释放或吸收声子，在频域上，表现为斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。光子与分子的相互作用可用分子能级图来表示，如图4.2所示，E1，E2分别表示分子振动的两个能级，两个能级之间相差，即。注入光纤的激光频率为，光子的能量为，当分子从能级巨被激光光子激发到能级为的虚态，又回到能级E1：或分子从能级E2被激光光子激发到能级为的虚态，又回到能级E2，散射出频率为的光子，这一过程称为瑞利散射。当能级为E1的分子被激光光子激发到的虚态，然后回到能级，散射出频率为的光子，这种散射称为斯托克斯散射；而原来处于能级E2的分子被激光光子激发到的虚态，然后回到能级，散射出频率为光子，这种散射称为反斯托克斯散射。由于在一般情况下绝大多数分子均处于基态(即E1能级)，只有少数分子才可能处于受激态(即E2能级，服从玻尔兹曼分布)，故在自发拉曼散射中，发生低频移拉曼散射(斯托克斯散射)的几率要比发生高频移拉曼散射(反斯托克斯散射)几率高倍。自发拉曼散射自发拉曼散射简介在1923年，A．Smekal从理论上预言：当频率一定的单色光入射到介质以后，除了产生光的反射和折射外，还会产生散射现象。图4.2拉曼散射示意图对于由二氧化硅分子组成的光纤，实验发现：在光纤的散射信号中，除了与入射光频率相同的瑞利(Rayleigh)散射外，还有一些其它频率分量的散射。在频移波数与入射光波长无关而与组成光纤的二氧化硅结构和运动状态有关的十分微弱的拉曼(Raman)散射光谱中，低于入射光波的频率分量称斯托克斯(Stokes)光，高于入射光波的频率分量称反斯托克斯(Anti—stokes)光，图4.3描述出了各种散射光(图中是入射光波数)。图4.3纤散射光谱图微弱的自发拉曼散射现象用拉曼散射的经典理论可定性的解释为：光纤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组成的，它们在分子内部按一定的方式处于运动状态，二氧化硅分子内部粒子间的这种相对运动导致分子间感生电偶极距随时间的周期性调制，从而对入射到光纤中的光产生散射作用；对于单色光入射，将使散射光的频率相对于入射光而言发生一定的移动，频率移动量的大小正好等于上述调制频率。一般情况下，在光纤的拉曼散射光中，斯托克斯光比入射光小约六个量级，反斯托克斯光入射光小约七个量级。自发拉曼散射的理论描述从经典理论看，拉曼散射可看作泵浦光的电磁波使光纤介子分子或原子内的电子相对原子核发生微小的位移或振动，产生感应电极化。这种电极化使泵浦光频率产生变化，产生斯托克斯和反斯托克斯散射。设拉曼介质由每单位体积Ⅳ个相互独立的谐振子组成，对应于各个分子，其运动方程为（4—4）式中F(z，t)——外场作用力X（z,t)——分子相对于势能最低点的偏离、m、——分别为分子的振动频率、质量和阻尼系数介质分子极化率是x的函数，可用级数表示（4—5）取n阶近似，则介质的介电常数为（4—6）频率为，电场E(z，t)的静电储能密度为（4—7）因而作用在每个分子上的力为（4—8）上述分析表明，频率为的分子振动会引起介电常数在处出现调制，这导致对辐射场的调制，从而产生频率偏移为珊。整数倍的旁频。可以证明，在频率为的外场作用下，非线性介质的简谐振子，会出现新的频率为的极化强度分量，振荡的极化强度将发生辐射，从而产生频率为的电磁波，即为各阶斯托克斯或反斯托克斯散射。而且从分析可以知道斯托克斯散射强度和反斯托克斯散射强度大体相当，这与受激拉曼现象相一致，但试验表明自发拉曼散射的反斯托克斯散射比斯托克斯要弱几个数量级，由经典理论不能解释这一现象。自发拉曼散射中斯托克斯和反斯托克斯的产生几率当分子始态处于不同能态时，吸收外场光子后产生的辐射跃迁后所处的终态也是不同的。根据波尔兹曼分布律，在热平衡下，介质分子振动基态和激发奁的粒子分布为（4—9）式中N1——分子振动基态上的粒子数N2——分子振动激发态上的粒子数——分子振动频率在常态下，绝大多数粒子处于基态能级上，只有极少数粒子处于激发能态上。自发拉曼散射的斯托克斯过程中，谐振分子的始态为基态低能级，终态为激发能级，而反斯托克斯过程则相反，始态为激发态能级，终态为基态能级。由此可得斯托克斯和反斯托克斯散射的几率分别为（4—10）（4—11）自发拉曼散射的强度公式实际的测量中，直接测量的是散射光的强度。在拉曼散射过程中，斯托克斯光强度正比于处于基态的二氧化硅分子密度，反斯托克斯光强度正比于激发态的二氧化硅分子密度。一般情况下，二氧化硅分子密度服从波尔兹曼因子分布（4—12）式中k——波尔兹曼常数T——绝对温度E——运动能量式（4—12）表明，由于激发态E1的能量高，故处于激发态E1的二氧化硅分子较处于基态E2的二氧化硅分子少，即自发拉曼散射中反斯托克斯光较斯托克斯光弱。D．LLong通过严密的理论推导得出反斯托克斯、斯托克斯散射光强分别为（4—13）（4—14）式中与光纤所处环境温度无关，取决于光纤结构和物理特性、入射光强等。取上述二式之比，有（4—15）式中——反斯托克斯与斯托克斯光强之比——反斯托克斯光波数——斯托克斯光波数c——真空中光速——拉曼频移h——普朗克常数K——波尔兹曼常数T——环境的绝对温度从式（4—15）得到的结论是：自发拉曼散射中反斯托克斯与斯托克斯光强之比仅是介质所处温度的函数，而与注入光源的光功率等其它条件无关。设单位长度光纤的反斯托克斯光、斯托克斯光散射损耗(散射系数)分别为和，则长度为的光纤上的反斯托克斯、斯托克斯散射光强之比仍满足式(4—15)，即（4—16）考虑到光在光纤中传输时存在着诸如光源功率不稳、光纤的传输损耗、光纤弯曲造成的传输损耗增加等非温度因素对反斯托克斯光强的影响，在分布式光纤温度传感器中，取式（4—15）反斯托克斯与斯托克斯光强的比值作温度的传感信号，而不是单纯的取反斯托克斯光强作温敏信号。式(4-15)是分布式光纤温度传感器的理论依据。将式(4—13)和式(4—14)分别对温度求微商，得(4—17)(4—18)式(4—17)和式(4—18)说明斯托克斯光对温度的敏感性与反斯托克斯光的大致相当。由式(4—13)、(4—14)和式(4—17)、(4—18)可求得斯托克斯光、反斯托克斯光随温度变化的相对值，即(4—19)(4—20)根据式(4—17)和式(4—18)，从理论上讲，反斯托克斯光、斯托克斯光对温度的敏感性大致相当，他们均可作为温敏信号：但式(4—19)和式(4—20)表明，反斯托克斯光随温度变化的相对值较斯托克斯光的大倍，所以单靠反斯托克斯光提取温度信息较单靠斯托克斯光提取容易，这也是实际应用中取反斯托克斯光作温敏信号而认为斯托克斯光与温度无关的原因。受激拉曼散射在研究拉曼散射时发现，当照射到介质上的光功率提高到一定值时，介质的散射过程具有受激性质，即出现受激拉曼散射。受激拉曼散射的实质是非线性效应的一种。根据实验，总结出受激拉曼散射具有不同于自发拉曼散射的明显特点，表现在：(1)受激拉曼散射具有极好的方向性。当受激拉曼散射产生时，受激拉曼散射光束的空间发散角显著变小，可与入射光发散角接近；而自发拉曼散射无明显的方向性；(2)受激拉曼散射光的功率很强。受激拉曼散射的光功率可达到与入射光功率相比拟的程度，即入射光几乎全部转换成受激拉曼散射功率；而自发拉曼散射功率通常比入射光小乱7个量级，且与入射光功率呈线性关系：(3)受激拉曼散射具有明显的阈值。受激拉曼散射产生的前提是入射到介质的光功率必须超过某一闽值，而自发拉曼散射的产生则不论入射到介质的光功率的强弱，总是存在自发拉曼散射，只不过入射到介质的光强时产生的自发拉曼散射强，而入射到介质的光弱时产生的自发拉曼散射弱而已：(4)根据耦合模式理论，导出受激拉曼散射中反斯托克斯光波与斯托克斯光波电场强度之比为（4—21）式中——斯托克斯频率——斯托克斯极化率——非共振极化率——动量失配量即。——注入光波在光纤输入端即z=0处的电场强度、、——分别为注入光、斯托克斯和反斯托克斯光的动量在受激拉曼散射中的反斯托克斯光与斯托克斯光功率之比是式（4—21）的平方，两者之比与光纤所处环境的温度无关。因此，受激拉曼散射不同于我们利用的自发拉曼散射，应根据它具有明显阈值的特点，在系统中严格控制注入光纤的泵浦光功率的大小，使之小于闽值功率，以抑制光纤受激拉曼散射的产生。假定单模的激光器在光纤始端z=0处注入单横模的光纤中。以受激斯托克斯光为例，当激光在光纤中传输时，泵浦激光功率、斯托克斯光功率分别为（4—22）（4—23）、分别为（4—24）（4—25）式中——z=0处泵浦功率——z=0处斯托克斯光功率——分别是光纤在泵浦光、斯托克斯光波长上的衰减系数，且表示为q——有效的斯托克斯模数，，、——分别对应泵浦和斯托克斯光波数——光纤中光的速度(c真空中光速，啊光纤芯折射率)，A——光纤有效截面积L——光纤长度——实验测得的拉曼功率增益系数h——普朗克常数根据上述理论推导可以得到以下结论：当时（4—26）（4—27）这说明，此时斯托克斯光子的转换可以忽略，而泵浦激光功率沿光纤传输逐渐损耗，衰减常数为。当时（4—28）（4—29）这说明，沿光纤传输的泵浦激光功率几乎为零，几乎所有的泵浦激光全部转化为斯托克斯光。(3)当时，。按照Smith理论，定义在z=L时满足这一条件的注入激光功率为阈值功率。即阈值功率隐含在下式中(4-30)时对应自发拉曼散射，时对应受激拉曼散射。只要控制注入光纤的激光功率，使之不超过闽值功率，即可防止受激拉曼散射的产生。根据Smith理论，多模光纤的受激阙值应根据模式特性计算，一般仅需对单模光纤为基础计算的阈值加以一个积分因子修正，大多数多模光纤的修正因子为整数，故以式(4-30)计算出来的作为控制多模光纤产生受激散射的阈值功率更保险。Anti-Stokes与S