基于光纖光柵的氣體絕緣開關(guān)母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

吳曉文，舒乃秋，李洪濤，金向朝，謝志楊

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引言

氣體絕緣開關(guān) GIS（Gas Insulated Switchgear）設(shè)備理論上故障率低，但一旦發(fā)生故障其后果較普通電氣設(shè)備更加嚴(yán)重[1]。2007年7月12日，佛山供電局轄區(qū)荷城變電站GIS母線對地?fù)舸?010年6月11日，220 kV丹桂站GIS母線發(fā)生三相短路故障，電弧導(dǎo)致母線燒蝕。造成上述故障的原因在于GIS母線觸頭因接觸電阻增大產(chǎn)生過高的溫升導(dǎo)致母線觸頭表面熔焊，熔焊產(chǎn)生的金屬微粒致使電場畸變，進(jìn)而引發(fā)電弧。因此，如果能夠?qū)IS母線溫度進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)控母線溫度及其發(fā)展趨勢，在母線過熱時(shí)進(jìn)行超溫預(yù)警并組織檢修，將有利于降低GIS母線過熱性故障的發(fā)生幾率，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，GIS母線溫度在線監(jiān)測主要難度在于傳感器性能不能滿足實(shí)際需要，表現(xiàn)在傳感器靈敏度及測溫精度不夠，不能快速響應(yīng)GIS母線溫度變化。常用的非在線監(jiān)測手段如紅外測溫方法，主要采用手持式紅外熱像儀對GIS母線溫度進(jìn)行定期檢測，其分辨率與測溫精度較高，但價(jià)格昂貴，測試的有效性易受到環(huán)境等因素的影響，而且難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)的一體化集成[2-3]。分布式光纖測溫技術(shù)根據(jù)光纖中激發(fā)的反斯托克斯光與斯托克斯光光強(qiáng)的比值實(shí)現(xiàn)溫度解調(diào)，具有抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，屬于在線監(jiān)測方法，同時(shí)也在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但存在測溫精度低、空間定位精度較差等問題[4-7]。

光纖光柵測溫技術(shù)根據(jù)入射波長與反射波長變化解調(diào)溫度信號，具有抗干擾能力強(qiáng)、尺寸小巧、可定點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，其靈敏度及遲滯特性與傳感器的增敏及封裝方法密切相關(guān)，通過設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)或材料的基底，可顯著提高測量精度及靈敏度，從而滿足實(shí)際需要。本文利用光纖光柵作為溫度傳感元件，設(shè)計(jì)并研制了GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，對佛山供電局某110 kV變電站室內(nèi)GIS母線各間隔三相母線及其對應(yīng)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。與手持式紅外熱像儀測溫結(jié)果的對比以及現(xiàn)場試運(yùn)行情況表明，該GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的測溫精度及靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)、有效監(jiān)測母線的發(fā)熱狀況，提高了GIS的安全運(yùn)行水平。

1 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯通過紫外光曝光的方法形成空間相位光柵制作而成，其傳感原理是通過外界參量對光纖光柵中心波長的調(diào)制以獲取信息。根據(jù)光柵理論[9]，寬帶連續(xù)光通過光纖光柵時(shí)，與光纖光柵中心波長相匹配的光波將發(fā)生反射，其余光波直接透射過去，如圖1所示。

圖1 光纖光柵傳感原理圖Fig.1 Schematic diagram of fiber Bragg grating sensor

光纖光柵中心波長與纖芯有效折射率和光柵調(diào)制周期的關(guān)系表述為[10-11]：

其中，λB為光纖光柵中心波長，neff為纖芯有效折射率，Λ為光纖光柵調(diào)制周期。

由式（1）可知，纖芯有效折射率和光纖光柵調(diào)制周期的變化均會改變光纖光柵的中心波長，根據(jù)光纖材料的熱光效應(yīng)，纖芯有效折射率和光柵調(diào)制周期均隨溫度變化而變化。忽略波導(dǎo)效應(yīng)，將式（1）進(jìn)行泰勒展開，同時(shí)保留一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)[8]：

其中，α為裸柵熱膨脹系數(shù)，ξ為裸柵熱光系數(shù)。由式（2）得知，溫度變化對光纖光柵中心波長的影響是由熱膨脹效應(yīng)及熱光效應(yīng)產(chǎn)生的，通過檢測光纖光柵入射波長與反射波長的變化即可實(shí)現(xiàn)波長-溫度解調(diào)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器陣列、參考光纖光柵、寬帶光源、3 dB耦合器、可控鋸齒波發(fā)生器、F-P腔可調(diào)濾波器、光電轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路、數(shù)字信號處理模塊以及工控機(jī)等組成。圖2為系統(tǒng)硬件原理框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

如圖2所示，數(shù)字信號處理模塊控制鋸齒波發(fā)生器驅(qū)動F-P腔濾波器進(jìn)行波長掃描，寬帶光源發(fā)出的光波經(jīng)F-P腔濾波器掃描后輸出一系列離散脈沖光信號，該脈沖光經(jīng)3dB耦合器分別進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列以及參考光纖光柵陣列，而只有與各光纖光柵中心波長相匹配的脈沖光才能夠被反射回來，光電轉(zhuǎn)換器將反射回的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由信號調(diào)理電路進(jìn)行整形、濾波等處理，數(shù)字信號處理模塊將處理后的信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，通過一定的峰值查找辦法確定各反射光中心波長的位置及其對應(yīng)的鋸齒波掃描電壓值，并根據(jù)擬合得出的F-P腔掃描電壓與透射波長的關(guān)系實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)[12-13]。最后工控機(jī)根據(jù)波長與溫度之間的標(biāo)定關(guān)系計(jì)算出每個(gè)光纖光柵傳感器的溫度值并存儲。

3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 光纖光柵增敏封裝及傳感器陣列設(shè)計(jì)

由于裸柵靈敏度只有10 pm／℃左右，因此通常把光纖光柵預(yù)拉伸后封裝在具有更高熱膨脹系數(shù)的基底材料中以達(dá)到增敏目的，稱為增敏封裝。增敏后的波長-溫度關(guān)系為[8]：

其中，Pe為光纖的有效彈光系數(shù)，αs為封裝材料的熱膨脹系數(shù)。對于鋁合金增敏光纖光柵，其靈敏度可達(dá)到30 pm／℃，提高到未增敏時(shí)的3倍。

受封裝工藝的影響，光纖光柵傳感器內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變不均，對傳感器線性度、遲滯特性以及重復(fù)性有很大影響，如何控制封裝工藝是傳感器制作的關(guān)鍵。為了降低復(fù)雜增敏結(jié)構(gòu)對傳感器特性的影響，本文采用單一鋁合金材料作為增敏基底。將光纖光柵經(jīng)過不同程度的預(yù)拉伸后，利用353ND雙組份環(huán)氧樹脂粘接在基底上。待膠完全干結(jié)后，為了消除光纖光柵傳感器的殘余應(yīng)力，將光纖光柵傳感器置于高低溫箱內(nèi)反復(fù)進(jìn)行升降溫老化實(shí)驗(yàn)。由于封裝工藝的差別，即使同一批光纖制作的光纖光柵溫度敏感特性也略有不同。因此，用作傳感的光纖光柵溫度傳感器需要分別經(jīng)過高低溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)才能確定各自的波長-溫度關(guān)系。具體方法為，將傳感器置于高低溫箱內(nèi)，調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度由5℃升高至60℃，再降至5℃（具體溫度范圍由安裝現(xiàn)場溫度決定），每隔5℃記錄一次傳感器波長數(shù)據(jù)，并以鉑電阻點(diǎn)溫計(jì)（精度0.05℃）測量箱內(nèi)實(shí)際溫度，每次溫度穩(wěn)定時(shí)間約為40 min，如此重復(fù)3次后對各行程波長取平均值。采用上述標(biāo)定方法得到的波長-溫度曲線如圖3所示，傳感器靈敏度為30 pm／℃，遲滯小于10 pm，通過該標(biāo)定曲線配置傳感器參數(shù)后，傳感器測溫精度達(dá)到0.3℃。

圖3 波長與溫度標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration curves of wavelength and temperature

鋁合金增敏封裝后的光纖光柵溫度傳感器，主要由增敏基底、蓋板、熱縮管及光纖光柵構(gòu)成。光纖光柵傳感器位于蓋板及基底之間，熱縮管與蓋板的作用在于保護(hù)光纖及光纖光柵，使其免受外力破壞。

結(jié)合現(xiàn)場GIS的實(shí)際結(jié)構(gòu)，GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)分為4個(gè)通道（包括32個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，每8只不同中心波長的光纖光柵溫度傳感器串聯(lián)構(gòu)成1個(gè)測溫通道），其中3個(gè)通道分別用于不同間隔A相、B相和C相的溫度監(jiān)測，1個(gè)通道懸空用于監(jiān)測各間隔對應(yīng)的環(huán)境溫度。

3.2 波長解調(diào)模塊

光纖光柵傳感器陣列與工控機(jī)以外的其他硬件統(tǒng)稱波長解調(diào)模塊，主要分為光路部分和電路部分。

光路部分包括寬帶光源、F-P腔濾波器、3dB耦合器以及參考光纖光柵。其中，光源選用寬帶ASE光源，中心波長為1550 nm，帶寬為±40 nm，輸出功率為3 mW；由于采用波分復(fù)用方式，寬帶光源的波長范圍必須能夠滿足傳感器陣列復(fù)用的要求，本系統(tǒng)中每只傳感器占用4 nm的帶寬；F-P腔掃描濾波器采用MOI公司產(chǎn)品，型號為FFP-TF，中心波長為1550 nm，自由光譜范圍為60 nm，由于F-P腔濾波器腔長漂移、驅(qū)動元件非線性以及壓電體的遲滯特性，因此F-P腔濾波器的輸入與輸出存在著很大的非線性，此處采用參考光纖光柵作為光纖光柵傳感器陣列波長解調(diào)的基準(zhǔn)，利用文獻(xiàn)[12-13]提出的曲線擬合方法確定F-P腔掃描電壓與透射波長的關(guān)系；3 dB光纖耦合器的中心波長為1 550 nm，帶寬±40 nm，其作用在于將F-P腔濾波器輸出的光分離到光纖光柵傳感器陣列中，并將光纖光柵反射光傳輸至光電轉(zhuǎn)換器。

電路部分包括光電轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路、鋸齒波發(fā)生器以及數(shù)字信號處理模塊4個(gè)部分。其中，鋸齒波發(fā)生器與數(shù)字信號處理模塊最為關(guān)鍵。

可控鋸齒波發(fā)生電路的作用是產(chǎn)生頻率800Hz、幅值0～18 V的連續(xù)穩(wěn)定鋸齒波電壓信號，通過該電壓信號驅(qū)動F-P腔濾波器進(jìn)行波長掃描。該電路主要由波形發(fā)生器ICL8038、儀表放大器AD620、光耦合器4N33、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD14538以及模擬開關(guān)CD4053組成。如圖4所示，數(shù)字信號處理模塊輸出“開關(guān)信號”控制波形發(fā)生器ICL8038起振。使用ICL8038的2路輸出電壓信號，一路為鋸齒波電壓信號，另一路為方波電壓信號。由于ICL8038輸出的鋸齒波電壓無法達(dá)到驅(qū)動F-P腔濾波器的要求，因此該鋸齒波電壓信號需要通過AD620進(jìn)行放大。另一路方波電壓信號則通過光電耦合器件4N33后產(chǎn)生0～5V的方波，CD14538將該方波轉(zhuǎn)換為“脈沖信號”，利用該脈沖信號控制數(shù)據(jù)采集的開始與結(jié)束時(shí)刻。

需要說明的是，AD620輸出的鋸齒波電壓信號除了驅(qū)動F-P腔進(jìn)行掃描濾波外，還通過P3送至數(shù)字信號處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，數(shù)字信號處理模塊接收信號調(diào)理模塊輸出的波長電壓值。數(shù)字信號處理器芯片正是利用這2組電壓的采集結(jié)果實(shí)現(xiàn)峰值查找，進(jìn)而根據(jù)F-P腔濾波器的電壓-波長擬合關(guān)系進(jìn)行波長解調(diào)與存儲。數(shù)字信號處理模塊采樣頻率為50 Hz，采樣波形如圖5所示。

圖4 鋸齒波發(fā)生器電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of sawtooth wave generator circuit

圖5 DSP采樣波形Fig.5 Waveform of DSP sampling

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分采用VB語言編制，系統(tǒng)模塊主要包括：傳感器參數(shù)配置、采集控制、波長-溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、故障診斷以及歷史數(shù)據(jù)查詢等，程序流程如圖6所示。

由于各傳感器參數(shù)并不一致，采用Gauss-Newton法對每只傳感器的波長-溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，將各傳感器參數(shù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，在程序初始化時(shí)調(diào)用；傳感器波長信號采用LAN端口由數(shù)字信號處理模塊通過用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）傳輸至工控機(jī)，由工控機(jī)實(shí)現(xiàn)波長-溫度轉(zhuǎn)換并存儲，存儲格式包括傳感器編號、日期、時(shí)間及溫度值；系統(tǒng)可自動設(shè)置采樣周期，正常情況下按照所設(shè)置的采樣周期存儲數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)過熱故障系統(tǒng)首先連續(xù)采集3次以排除干擾因素，之后加快采集頻率，每分鐘采集一次溫度值；將實(shí)時(shí)溫度與環(huán)境溫度、同相各傳感器溫度以及歷史溫度對比分析實(shí)現(xiàn)故障判斷并在故障情況出現(xiàn)時(shí)發(fā)出預(yù)警信息；故障信息數(shù)據(jù)庫設(shè)置用戶權(quán)限，不得隨意更改；軟件集成了GIS母線各間隔、各相序當(dāng)天溫度曲線顯示功能，同時(shí)各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)，如年、季度、月份、日等，可方便查詢并直觀顯示，以便了解GIS母線的歷史溫度狀況。

為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障誤報(bào)的情況，系統(tǒng)利用相同間隔不同相母線溫度、單一間隔單相母線歷史溫度與環(huán)境溫度形成三重故障判據(jù)對是否出現(xiàn)故障進(jìn)行診斷，如果3個(gè)判據(jù)同時(shí)滿足則判定該間隔母線發(fā)生故障，診斷流程如圖7所示。值得一提的是，由于GIS母線溫度受環(huán)境溫度以及通風(fēng)條件的影響較大，因此各個(gè)判據(jù)的合理閾值需要根據(jù)現(xiàn)場長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)逐步確定。根據(jù)目前的試運(yùn)行結(jié)果，正常情況下母線各監(jiān)測點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度具有相同的變化幅度，二者最大差值不超過3℃；三相導(dǎo)體溫差穩(wěn)定，且最大溫差不超過2℃；考慮接觸電阻增大引起的發(fā)熱屬于緩慢變化的過程，與10 d內(nèi)平均歷史溫度的對比閾值暫定為1℃。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Flowchart of system software

圖7 過熱故障診斷流程圖Fig.7 Flowchart of overheat diagnosis

5 現(xiàn)場安裝及試運(yùn)行

5.1 傳感器的安裝布局

根據(jù)溫度場數(shù)值仿真結(jié)果[14-15]，考慮GIS母線外殼內(nèi)部SF6氣體的流動性，溫度較高的氣體密度較小，浮力的作用使其主要集中于外殼內(nèi)部上方位置，下方流體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。外殼最高溫度位于A、C相導(dǎo)體上方，最低溫度位于B相導(dǎo)體下方。對于母線波紋管位置，綜合考慮最佳測溫靈敏度以及因傳感器過于接近而導(dǎo)致各測點(diǎn)溫度無明顯差異等問題，傳感器安裝位置如圖8（a）所示；對于母線各間隔出線位置，受熱氣體在母線豎直部分絕緣子下方聚集，冷卻后又回流到導(dǎo)體附近，所以最高溫度出現(xiàn)在母線豎直部分，考慮溫度測量的靈敏度以及母線結(jié)構(gòu)對安裝位置的影響，傳感器安裝位置如圖8（b）所示。

圖8 GIS母線不同位置傳感器安裝示意圖Fig.8 Schematic diagram of sensor installation for GIS bus

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，母線導(dǎo)體的最高允許溫度為85～90℃，外殼的最高允許溫度為65～70℃。目前已有研究成果表明GIS外殼溫度能夠即時(shí)響應(yīng)導(dǎo)體溫度變化，并且均對穩(wěn)態(tài)情況下母線溫度場進(jìn)行了預(yù)測與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16-17]。分析結(jié)果表明，對于三相GIS母線，穩(wěn)態(tài)情況下導(dǎo)體溫度變化1℃，外殼溫度變化達(dá)到0.42～0.56℃。而本文設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器靈敏度為30 pm／℃，分辨率達(dá)到0.03℃，因此完全滿足GIS母線測溫的要求。

5.2 與紅外測溫法對比

為了驗(yàn)證GIS母線導(dǎo)體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)測溫的準(zhǔn)確性，將系統(tǒng)測溫結(jié)果與TherCAM P45型手持式紅外熱像儀測溫結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1所示。對于母線不同位置處的7個(gè)測溫點(diǎn)，手持式紅外測溫儀測量結(jié)果與系統(tǒng)測量結(jié)果一致，最大偏差為2.21%。另外，通過人為增加GIS母線表面的對流換熱效果，在1 min內(nèi)，基于光纖光柵測溫技術(shù)的GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠迅速感應(yīng)溫度變化，手持式紅外測溫儀所測溫度幾乎不變，表明該系統(tǒng)具有較高的測溫靈敏度。

表1 系統(tǒng)測溫與紅外測溫結(jié)果Tab.1 Comparison of measured temperatures between monitoring system and infrared measuring equipment

5.3 試運(yùn)行結(jié)果及分析

GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)于2010年底投入試運(yùn)行，運(yùn)行期間各相母線運(yùn)行溫度正常，無突變或持續(xù)升溫現(xiàn)象。以11月份某間隔三相母線為例，母線溫度發(fā)展趨勢如圖9所示。

圖9 一個(gè)月內(nèi)GIS母線溫度變化趨勢Fig.9 Temperature variation tendency of GIS bus for one month

由圖9可見，GIS母線每天溫度變化具有規(guī)律性，溫度曲線呈拋物線狀，08∶00 左右溫度最低，17∶00至18∶00期間溫度最高，之后溫度逐漸回落；由于該GIS處于室內(nèi)，通風(fēng)條件相對較差，母線晝夜溫差不超過2℃，該溫度變化特性主要是由日照強(qiáng)度、當(dāng)?shù)鼐用窦肮S負(fù)荷特性造成的；三相母線中B相母線溫度最高，A相母線稍低，C相母線溫度最低，C相與A、B兩相最大溫差為0.5℃，這一現(xiàn)象表明，GIS負(fù)荷電流并不完全對稱，相間電流存在差異，該結(jié)論與變電站后臺負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)顯示結(jié)果吻合；母線溫度與環(huán)境溫度具有相同的變化趨勢但變化幅度不同，說明母線溫度不僅與環(huán)境溫度相關(guān)，而且與負(fù)荷電流大小也存在一定關(guān)系。

6 結(jié)論

本文將光纖光柵測溫技術(shù)應(yīng)用于GIS母線溫度在線監(jiān)測，介紹了光纖光柵傳感原理與傳感器制作的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)并研制了GIS母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，分析了傳感器安裝布局及系統(tǒng)現(xiàn)場試運(yùn)行結(jié)果。通過與手持式紅外測溫儀測溫結(jié)果的對比證明本文系統(tǒng)具有更高的測溫精度及靈敏度?，F(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，GIS母線運(yùn)行溫度與環(huán)境、負(fù)荷因素密切相關(guān)，該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測母線溫度及其變化趨勢，對于GIS母線安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。但由于母線內(nèi)外熱傳遞過程較為復(fù)雜，影響因素較多，系統(tǒng)尚不能夠利用監(jiān)測結(jié)果推斷出母線導(dǎo)體的確切溫度。在今后的工作中，將采用有限元多物理場耦合計(jì)算并配合大量模擬實(shí)驗(yàn)的方法，建立導(dǎo)體溫度與所監(jiān)測溫度之間的計(jì)算關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)母線導(dǎo)體溫度的實(shí)時(shí)預(yù)測。