牵引供电系统电缆及电缆头在线监测技术适用性分析

它们满足模式耦合理论的一级近似相位匹配条件：

当光纤光栅的温度发生变化时，由于光纤材料的热胀冷缩以及热光效应，光纤光栅选择性反射的布喇格波长会发生变化，变化的大小为：

上式中右边第1项为热膨胀效应：因热膨胀引起的条纹周期变化，

为光纤的热膨胀系数;第2项为热光效应：因温度变化引起的折射率变化，

为光纤的热光系数。实验表明，在常规的温度范围内α和β保持为常数，波长变化与温度变化保持很好的线性关系，因此只要测得光纤光栅的布喇格波长，就可知光纤光栅的温度。

光源发出的光经放大后，由光纤到达传感器热敏材料部分;每一个传感器反射回一个与自身温度相对应的窄谱脉冲光信号;信号处理部分对返回信号列进行滤波采样和分析，从而确定每一个传感器的温度。

光纤光栅在线测温系统一般由光纤光栅测温主机、光缆、光分路器、光纤传感器、系统软件等组成。

光纤光栅温度传感器内部敏感元件为单模石英光纤，传感器外壳为非金属材质，传感器感温底面为绝缘导热陶瓷。光纤传感器直接安装在高压开关柜内的触点、高压电缆终端头等连接部位。下图为传感器结构示意图。

光纤光栅测温主机或者调制解调仪，用来产生光源、温度转换以及通信控制。

光分路盒主要起到分离光束和合成光束的作用，它将来自测温主机的同一束光等比例的分成若干份，分别射入相应的每支光纤光栅传感器中，然后再将传感器反射回来的光合成一束送回到测温主机。

下图为光纤光栅测温系统示意图。

2.4分布式光纤测温技术

分布式光纤测温的机理是依据后向拉曼(Raman) 散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用, 发生散射，散射有多种，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等[5]。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯 (Anti-Stokes)光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与 Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

分布式光纤测温技术转为长距离大范围多点温度测量的应用而设计制造的，在使用时只需要一条或几条光纤就可以监测长达数公里的线型和点式设备[8] [9]。

该系统由测温主机或者调制解调仪、绝缘感温光纤及相应附件组成。

分布式光纤传感器既是信号的传输通道，又是温度传感器，其主要由高纯度的绝缘材料石英组成。

测温主机通过将敷设在高压开关柜电缆接头、上网电缆接头处的探测光纤感应的温度信息经光学滤波、光电转换、放大、AD转换等系列程序转变为数字信号，并进行大规模数字处理后，将规定的信息通过通讯总线上传到测温工作站。

下图为光纤光栅测温系统示意图

图6：分布式光纤测温系统方案示意图

3 高压电缆在线测温技术在牵引变电所适用性分析

对于电气化铁路而言，电缆温度在线监测系统应用较少，积累的运行经验也不多，另外牵引供电系统也有自身的独特性，为了便于设计选型，现从以下几个方面对上述在线测温技术进行综合分析比较。

3.1温度测量的准确性

上述4种原理的电缆在线测温技术测量温度的准确性存在较大的差异：

Ø 红外测温：测温准确性受安装质量影响很大，红外线照射角度偏差将导致测温误差加大，一般在±5℃

Ø 无线测温：直接接触被测物体表面，测温准确性直接受所采用的温度传感器决定，一般在±0.5℃

Ø 光纤光栅测温：取决于传感器加工精度以及测温主机的计算准确性，准确性一般低于±0.5℃

Ø 分布式光纤测温：取决于传感器加工精度以及测温主机的计算准确性，准确性一般低于±1℃

3.2绝缘耐压及防污闪性能

由于电缆在线测温设备一般与高压电缆直接接触，所以这些测温设备的绝缘耐压以及防污闪性能显得尤为重要。尽管生产所有厂家在产品设计阶段一般都考虑了设备的绝缘耐压及防污闪性能，但在实际应用中，仍然存在一些由技术原理本身所带来的薄弱之处。

Ø 红外测温：红外温度传感器没有与被测试点直接接触，绝缘耐压性能高。但对安装空间有严格的要求，必须保证足够的安全距离，否则传感器较易损坏