絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器研究*

李英娜，徐樹(shù)振，田 雷，李 川，張 旭，趙振剛

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明 650500）

0 引言

自然污穢條件下暴露的輸變電設(shè)備表面容易沉積污穢，加之受到雨、雪等惡劣天氣的影響，容易造成電力系統(tǒng)的污閃事故。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的安全和準(zhǔn)確檢測(cè)，成為電網(wǎng)輸電線路安全亟待解決的問(wèn)題之一。目前廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)檢測(cè)的方法是紅外熱成像檢測(cè)法［1，2］，它根據(jù)分布電壓在電氣設(shè)備上的熱場(chǎng)分布，通過(guò)成像處理來(lái)檢測(cè)絕緣子。紅外成像儀可在遠(yuǎn)距離且不受高壓電磁場(chǎng)干擾的情況下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，空間分辨率和溫度分辨率都較過(guò)去有了很大的提高。

電氣設(shè)備絕緣表面一旦發(fā)生劣化會(huì)伴隨擊穿、放電等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象必然會(huì)造成絕緣表面和周圍空氣溫度的變化，本文提出并研制了一種具有絕緣子保護(hù)的光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器［3］用于檢測(cè)電網(wǎng)輸變電線路中電氣設(shè)備的溫度。

1 絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的絕緣要求［4］，結(jié)合FBG溫度傳感器的特征，設(shè)計(jì)了具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器。該傳感器的傳感結(jié)構(gòu)為:光纖的外表面包覆設(shè)置單片或者多片硅橡膠材料的光纖絕緣子，光纖的一端熔接FBG傳感裝置，另一端熔接光纖連接頭，整個(gè)傳感器采用室溫硫化硅橡膠材料一體成型結(jié)構(gòu)加工而成［5］。絕緣子片數(shù)由被測(cè)系統(tǒng)的電壓等級(jí)所決定。輸電線路中，絕緣子的絕緣水平由其種類、形狀、結(jié)構(gòu)尺寸和串長(zhǎng)決定［6］。當(dāng)絕緣子種類、形狀和結(jié)構(gòu)尺寸確定時(shí)，每串絕緣子的片數(shù)為

式中m為絕緣子的片數(shù);λ為絕緣子的爬電比距;Um為系統(tǒng)最高運(yùn)行線電壓或者系統(tǒng)的額定線電壓;Ke為絕緣子爬電距離的有效系數(shù);L0為每片懸式絕緣子的幾何爬電距離。具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of FBG temperature sensor protected by insulators

電力系統(tǒng)中準(zhǔn)確、安全地檢測(cè)出關(guān)鍵設(shè)備的過(guò)熱點(diǎn)是確保安全供電的必要前提。戶外電力系統(tǒng)中，輸變電設(shè)備上安裝的測(cè)溫元件在自然污穢或是潮濕環(huán)境條件下的抗電壓能力隨之降低，發(fā)生閃絡(luò)擊穿的機(jī)率變大，容易造成電氣事故。光纖可在高壓等極端環(huán)境中保持良好的工作特性，但光纖本身較脆弱，在此采用絕緣子保護(hù)光纖。絕緣子良好的絕緣和耐高壓特性，使得傳感器可以檢測(cè)電力系統(tǒng)中高電壓環(huán)境下電氣設(shè)備的溫度。

對(duì)研制的具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器進(jìn)行15 kV工頻交流耐高壓測(cè)試，傳感器頂端即熔接FBG傳感裝置的一端加高電壓，其尾部即連接光纖連接頭的一端接地，傳感器實(shí)物連接圖，見(jiàn)圖2。分別在無(wú)污染環(huán)境，并模擬凝露和污染環(huán)境對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試。

圖2 傳感器實(shí)物連接圖Fig 2 Connection figure of physical sensor

15 kV的工頻交流耐高壓測(cè)試結(jié)果表明:具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器中的絕緣子封裝在純凈、凝露以及污穢的試驗(yàn)條件下，均無(wú)擊穿響聲（或斷續(xù)放電聲）、冒煙、出氣、焦臭、閃絡(luò)、燃燒等現(xiàn)象。驗(yàn)證具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器可以工作在高電壓環(huán)境中。

具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感原理:由于光纖的熱膨脹效應(yīng)和光纖熱光效應(yīng)，外界溫度變化會(huì)引起FBG反射波長(zhǎng)的改變［7］。

FBG方程式可表示為

式中 λB為FBG的中心波長(zhǎng)（nm），neff為光纖的有效折射率，Λ為Bragg光柵的柵距（μm）。

FBG只受溫度影響時(shí)，傳感器的FBG波長(zhǎng)可視為外部溫度（T）的函數(shù)，波長(zhǎng)移位可表示為相對(duì)于光柵初始狀態(tài)（T0）的變化

通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并取一級(jí)近似，則FBG中心波長(zhǎng)的移位與溫度的關(guān)系為

式中 ΔλB為溫度相對(duì)于初始狀態(tài)的變量，（nm），?λB/?T為對(duì)T的偏導(dǎo)數(shù)，引入應(yīng)變量Δε=ΔΛ/Λ，代入式（5）得如下表達(dá)式

式（7）可寫(xiě)成

式中ST=αΛ+αn為FBG的溫度敏感系數(shù)，℃－1。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)移位與光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。

2 絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的性能測(cè)試

試驗(yàn)中，利用恒溫槽加熱并用二級(jí)精度的水銀溫度計(jì)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。恒溫槽工作溫度范圍是－10～90℃，溫度波動(dòng)度為±0．01℃/30 min，當(dāng)恒溫槽中溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，溫控系統(tǒng)根據(jù)感溫器測(cè)得的溫度來(lái)控制混合區(qū)內(nèi)的加熱器工作，熱量經(jīng)攪拌系統(tǒng)攪拌均勻后的介質(zhì)送入極少受外界干擾的工作區(qū)，從而制造了一個(gè)恒溫的環(huán)境;此時(shí)，將待測(cè)試的傳感器和精度為0．01℃的溫度計(jì)放置到恒溫槽的介質(zhì)中，傳感器的輸出信號(hào)可通過(guò)光譜分析儀解調(diào)出反射中心波長(zhǎng)，同時(shí)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡讀取水銀溫度計(jì)的指示值［8］。待測(cè)試的傳感器對(duì)不同的溫度輸出與之對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，將讀取的溫度和波長(zhǎng)進(jìn)行比較，得到表征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

對(duì)傳感器做20次從20～90℃的升溫試驗(yàn)。過(guò)程中必須要注意，待恒溫槽內(nèi)的介質(zhì)處于設(shè)定溫度值時(shí)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡讀取溫度計(jì)的溫度。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig 3 Schematic diagram of test system

利用最小二乘法［9］，可得FBG波長(zhǎng)移位量與溫度的擬合曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 FBG波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線Fig 4 Curve of relation between FBG wave length and temperature

傳感器的靈敏度［10］是在其靜態(tài)工作條件下，單位輸入所產(chǎn)生的輸出，可以表示為

圖4中，擬合曲線的斜率表明傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為10．2 pm/℃，線性度［11］是指測(cè)量的實(shí)際曲線與擬合曲線的最大差值與量程的比值，可以表示為

根據(jù)線性度的計(jì)算公式，可得到該傳感器的線性度為0．70%FS。

3 結(jié)論

研制了一種具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器，選擇硅橡膠憎水性材料和一體成型的結(jié)構(gòu)完成傳感器的加工制作。光纖由絕緣子保護(hù)，使得傳感器可以安全工作在高電壓環(huán)境中。對(duì)具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算得到該傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為10．2 pm/℃，線性度為0．70%FS。

［1］ 徐進(jìn)富，熊偉麗，徐保國(guó)，等．危害動(dòng)物探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（6）:139 －140．

［2］ 陳 豪，陳 原，趙雪松，等．紅外測(cè)溫技術(shù)在復(fù)合絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．電力設(shè)備，2006，9:42 －43．

［3］ 李 川，曹 敏，王達(dá)達(dá)，等．具有絕緣子保護(hù)的光纖Bragg光柵高電壓接觸型傳感器:中國(guó)，201020655414．5［P］．2011—09—28．

［4］ 干耀生，朱曉輝，董淑珊，等．電氣設(shè)備光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)研究［J］．華北電力技術(shù)，2007（4）:23－48．

［5］ 郭 浩．室溫硫化涂料的老化及研究新進(jìn)展［J］．電力設(shè)備，2006，7（1）:36 －38．

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