分布式光纖光柵傳感器在干式空心電抗器的應(yīng)用

張潔，譚向宇，王科，崔志剛，馬儀，伍陽(yáng)陽(yáng)，徐鵬

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，昆明 650217；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；4.昆明理工大學(xué)，昆明 650500)

分布式光纖光柵傳感器在干式空心電抗器的應(yīng)用

張潔1，2，譚向宇1，3，王科3，崔志剛3，馬儀3，伍陽(yáng)陽(yáng)1，2，徐鵬1，4

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，昆明 650217；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；4.昆明理工大學(xué)，昆明 650500)

介紹了一種分布式光纖Bragg光柵傳感器 (fiber bragg grating，F(xiàn)BG)系統(tǒng)，通過(guò)在電抗器各包封層內(nèi)多點(diǎn)預(yù)埋溫度和應(yīng)變傳感器來(lái)測(cè)量包封層內(nèi)的溫度和經(jīng)溫度補(bǔ)償后的應(yīng)變拉力。經(jīng)干式空心電抗器固化溫升實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的在線監(jiān)測(cè)，其結(jié)果證明了該系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)得干式電抗器包封層內(nèi)的溫度和應(yīng)變拉力的變化趨勢(shì)，將為變電站內(nèi)干式空心電抗器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供重要的理論依據(jù)。

光纖Bragg光柵；干式空心電抗器；溫度；應(yīng)變；在線監(jiān)測(cè)

0 前言

干式空心電抗器具有低損耗、低噪音、電抗值線性度好、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該設(shè)備在系統(tǒng)中主要起限制合閘涌流、限制短路電流、補(bǔ)償雜散容性電流、濾波等作用。干式電抗器屬于免維修類設(shè)備，而其受監(jiān)測(cè)方法較少，主要有采用紅外成像儀對(duì)干式電抗器定期跟蹤測(cè)溫、在干式電抗器下方安裝溫度在線監(jiān)測(cè)儀、將溫度傳感器直接貼于干式電抗器包封壁上等方法[1-2]，但是存在著有效監(jiān)測(cè)面較窄、監(jiān)測(cè)過(guò)程不連續(xù)、測(cè)量精度不高、需外接工作電源等缺點(diǎn)，其實(shí)際應(yīng)用效果較不理想，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電抗器發(fā)熱點(diǎn)，從而電抗器燒毀現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。近年來(lái)，云南電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)發(fā)生了多起35 kV干式電抗器燒損事故，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了不同程度的威脅[3-5]。經(jīng)調(diào)查研究，干式電抗器燒毀主要是由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中溫度驟變熱脹冷縮作用下包封層繞組內(nèi)部導(dǎo)線絕緣劣化，從而發(fā)生匝間短路所致。

基于光纖Bragg光柵傳感器可提供了一種波長(zhǎng)編碼的絕對(duì)檢測(cè)，且絕緣性能好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐高溫高壓、無(wú)源檢測(cè)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、易貼附等優(yōu)點(diǎn)[6]，本文研制了一種同時(shí)測(cè)得溫度和應(yīng)變的分布式光纖Bragg光柵傳感器系統(tǒng)，利用光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)移位對(duì)溫度和形變的響應(yīng)，對(duì)干式電抗器包封層內(nèi)部溫度和形變進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，很好的解決了干式電抗器包封層內(nèi)部溫度和應(yīng)變測(cè)量的難題，提供了一種間接監(jiān)測(cè)繞組導(dǎo)線匝間絕緣程度的技術(shù)手段。

1 傳感器系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及標(biāo)定

1.1 FBG的溫度和應(yīng)變響應(yīng)原理

當(dāng)寬帶光在FBG中傳輸時(shí)，其反射光波長(zhǎng)應(yīng)符合Bragg定理：

式中，表示光柵周期；neff表示光纖有效折射率。根據(jù)光纖Bragg光柵其Bragg波長(zhǎng)移位與溫度變化成線性關(guān)系，即：

式中，αΛ，αn為光纖的熱光系數(shù)，ST為光纖Bragg光柵的溫度敏感系數(shù)。

根據(jù)如上原理，本文設(shè)計(jì)的分布式傳感器的光纖Bragg光柵溫度傳感器將由光纖光柵、陶瓷套管和聚四氟乙烯組裝而成的，傳感器一端的光纖放置在聚四氟乙烯套管中，并采用環(huán)氧樹脂封裝在陶瓷套管內(nèi)，而光纖另一端引出部分與耦合器或解調(diào)儀相連。其中，測(cè)溫光柵一端與光纖相連固定在陶瓷套管上，而另一端自由懸空以保證該傳感器僅受溫度影響，參見圖1。

圖1 光纖Bragg光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)

由于光纖光柵對(duì)溫度靈敏，因此，光纖Bragg光柵傳感應(yīng)變力時(shí)，將產(chǎn)生溫度效應(yīng)與應(yīng)變效應(yīng)的交叉敏感問(wèn)題[7]。1989年 Morey報(bào)告[8]，當(dāng)FBG同時(shí)受軸向應(yīng)變和變化的溫度作用時(shí)，F(xiàn)BG的Bragg波長(zhǎng)位移可表示為：

式中，SE，Δε表示光柵的應(yīng)變效應(yīng)，SE為應(yīng)變敏感系數(shù)，STΔT表示外界溫度變化對(duì)光柵的影響，ST為溫度敏感系數(shù)。因此FBG應(yīng)變傳感器測(cè)應(yīng)純應(yīng)變拉力時(shí)，可采用溫度補(bǔ)償方法。本文設(shè)計(jì)的分布式傳感器的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器如圖2所示。

圖2 光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)

文中將采用同時(shí)布置光纖Bragg光柵溫度傳感器和應(yīng)變傳感器，該處布置的溫度傳感器測(cè)得的溫度將主要作為對(duì)應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償，因此僅由應(yīng)變拉力引起的Bragg波長(zhǎng)移動(dòng)量Δλg可通過(guò)實(shí)測(cè)應(yīng)變傳感器的到得波長(zhǎng)位移ΔλB減去只有溫度變化引起的應(yīng)變傳感器波長(zhǎng)位移ΔλBT得到，即

針對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中布設(shè)的FBG溫度傳感器和應(yīng)變傳感器其參數(shù)不同的情況，需將溫度傳感器得到的波長(zhǎng)位移轉(zhuǎn)化為應(yīng)變傳感器僅由溫度引起的波長(zhǎng)位移，從而得到所測(cè)試品濾除溫度效應(yīng)以后的應(yīng)變力公式，即：

式中：ST、SE分別表示光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器的溫度系數(shù)和應(yīng)變敏感系數(shù)，為FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)，λ0其初始中心波長(zhǎng)；(ST)T表示同時(shí)布置的光纖Bragg光柵溫度傳感器的溫度系數(shù)，λ?為其經(jīng)溫度影響后測(cè)得的波長(zhǎng)值，λ?0為相應(yīng)的初始中心波長(zhǎng)。

1.2 分布式FBG傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)需同時(shí)監(jiān)測(cè)干式空心電抗器包封層內(nèi)部不同空間點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的要求，以便及時(shí)了解干抗的匝間絕緣情況，本文設(shè)計(jì)了基于波分復(fù)用的分布式FBG傳感器以及相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多光線傳感器的復(fù)用以及數(shù)據(jù)融合，滿足了應(yīng)變和溫度的不同測(cè)量要求，大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，減少了連接光纖的數(shù)量，更適用于復(fù)雜條件的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中在干式電抗器內(nèi)部不同位置植入不同數(shù)量和種類的光纖光柵傳感器，通過(guò)耦合器將分布在電抗器內(nèi)各傳感器的光信號(hào)耦合，并經(jīng)光纖多路傳輸和調(diào)制連接到終端解調(diào)儀中，終端PC機(jī)將解調(diào)儀處理過(guò)的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的傳感器模型處理方案得到所需的溫度和應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 分布式FBG傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.3 實(shí)驗(yàn)用分布式FBG傳感器標(biāo)定

考慮到光纖材料的不同，寫入光柵工藝的差異，均會(huì)對(duì)光纖光柵的靈敏度造成影響，因此，F(xiàn)BG傳感器需要經(jīng)過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)后才能精確測(cè)溫和測(cè)應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)首先應(yīng)對(duì)將在容量為20 000 KVar/ 35 kV干式空心并聯(lián)電抗器試品裝設(shè)的FBG溫度傳感器T12，T19，T21進(jìn)行溫度標(biāo)定。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫槽，光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，二級(jí)水銀溫度計(jì)、FBG溫度傳感器等設(shè)備組成，具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖4所示。按照標(biāo)定溫度傳感器的相關(guān)規(guī)定，對(duì)以上3支傳感器分別做兩次從20℃ ～90℃的升溫試驗(yàn)，溫度每升高10℃ 記錄一次波長(zhǎng)移位值。根據(jù)2次溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)記錄的波長(zhǎng)，可以得到兩次實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)的算術(shù)平均值，計(jì)算線性度的擬合曲線選用最小二乘法獲得，圖5示出T12，T19，T21算術(shù)平均值與溫度的擬合曲線，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

圖4 溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

圖5 FBG溫度傳感器T12，T19，T21擬合曲線圖

表1 FBG溫度傳感器T12，T19，T21相關(guān)數(shù)據(jù)

應(yīng)變傳感器S1、S12的標(biāo)定應(yīng)包括純溫度實(shí)驗(yàn)和純應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，以得到公式 (6)(7)中的參數(shù)ST、SE。

應(yīng)變傳感器的純溫度實(shí)驗(yàn)標(biāo)定過(guò)程與前述溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程相同。其純應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，在常溫下進(jìn)行，采用直拉式方法，通過(guò)逐級(jí)加載砝碼對(duì)FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)變分析。在實(shí)驗(yàn)正式開始之前，必須進(jìn)行若干次載荷重復(fù)加卸循環(huán)的預(yù)載試驗(yàn)，之后彈性元件的變形關(guān)系才趨于穩(wěn)定。具體裝置如圖6所示。根據(jù)1應(yīng)變對(duì)應(yīng)4.04 N，可得出常溫下FBG應(yīng)變傳感器波長(zhǎng)位移同應(yīng)變的線性關(guān)系。應(yīng)變傳感器S1、S12溫度特性測(cè)試與應(yīng)變拉力測(cè)試結(jié)果如表2所示，擬合曲線如圖7所示。

圖6 純應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

圖7 FBG應(yīng)變傳感器S1、S12的相關(guān)擬合曲線圖

表2 應(yīng)變傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)

2 傳感器在干式空心電抗器中的實(shí)驗(yàn)

文中采用該分布式FBG傳感器系統(tǒng)檢測(cè)干式空心電抗器在固化溫升過(guò)程中其包封層內(nèi)部溫度和應(yīng)變拉力的變化趨勢(shì)，使用容量為20 000 kar/ 35 kV干式空心并聯(lián)電抗器作為試品，并對(duì)光纖Bragg光柵溫度傳感器和應(yīng)變傳感器的布點(diǎn)位置做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

在對(duì)干式空心并聯(lián)電抗器做預(yù)埋及固化溫升實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，將分布式FBG傳感器系統(tǒng)中測(cè)溫部分和應(yīng)變部分均埋設(shè)在如圖8所示第五層包封的玻璃絲帶外層 (共11層包封)，且測(cè)應(yīng)力部分將采用2支應(yīng)變傳感器S1、S12與1支溫度傳感器T21布設(shè)在一起。其余測(cè)溫部分的溫度傳感器T12，T19將與側(cè)應(yīng)力部分沿周向間距120°均勻埋設(shè)，具體埋設(shè)如圖8所示。

干燥室固化溫升過(guò)程中，在線監(jiān)測(cè)預(yù)埋在干式電抗器第五包封層的分布式FBG傳感器所得的結(jié)果如圖9，10所示。

從圖9可知，分布式光纖Bragg光柵傳感器系統(tǒng)中的三支溫度傳感器T12，T19，T21測(cè)得的溫度變化趨勢(shì)與爐溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度基本是相同的，測(cè)溫結(jié)果很合理。同時(shí)T12，T19，T21測(cè)得的溫度基本相同，而三只傳感器測(cè)得的溫度之間微弱的差異也說(shuō)明了干式電抗器包封內(nèi)繞組不同位置處受外界溫度影響的程度是不同的，也從側(cè)面說(shuō)明了不同位置的匝間絕緣受外界影響也是不同的。

圖8 干式空心并聯(lián)電抗器中分布式FBG傳感器的預(yù)埋情況

圖10示出了徑向布設(shè)的S1和軸向布設(shè)的S12經(jīng)溫度補(bǔ)償后的應(yīng)變值，以及該應(yīng)變值與作為溫度補(bǔ)償?shù)腡21測(cè)得的包封層內(nèi)該點(diǎn)溫度變化的關(guān)系。從該圖可知，溫度變化造成的應(yīng)變拉力與干式電抗器對(duì)光柵的純應(yīng)變拉力是反向的，同時(shí)品字形布置傳感器處測(cè)得的溫度與純應(yīng)力的變化趨勢(shì)是相同的，該點(diǎn)符合實(shí)際情況。從測(cè)得數(shù)據(jù)可知，電抗器包封層內(nèi)溫度的變化會(huì)導(dǎo)致純應(yīng)變拉力與溫度變化造成的應(yīng)變拉力有較大的變化，經(jīng)計(jì)算最高可達(dá)3 109，將對(duì)干式電抗器的絕緣很不利。

圖9 FBG溫度傳感器T12，T19，T21與爐溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的溫度變化關(guān)系

圖10 溫度補(bǔ)償后S1、S12測(cè)得的應(yīng)變拉力間的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)需同時(shí)監(jiān)測(cè)干式空心電抗器包封層內(nèi)不同空間點(diǎn)的溫度和應(yīng)變拉力，以便及時(shí)了解干抗匝間絕緣的需求，本文設(shè)計(jì)了基于波分復(fù)用的分布式光纖Bragg光柵傳感器系統(tǒng)，提出了一種應(yīng)變和溫度測(cè)試電抗器預(yù)埋式絕緣性能監(jiān)測(cè)技術(shù)。在干式空心電抗器生產(chǎn)流程中最關(guān)鍵的固化溫升環(huán)節(jié)中，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)已預(yù)埋的分布式FBG傳感器測(cè)得的溫度和應(yīng)變拉力，證明了溫度的變化對(duì)匝間絕緣有較大的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確的測(cè)得干抗包封層內(nèi)不同點(diǎn)溫度和形變，為避免故障發(fā)生以及尋找故障點(diǎn)提供了很好的依據(jù)。

[1] 賈振安，馮飛，等.光纖光柵溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展 [J].光通訊技術(shù)，2007，2：41-43.

[2] 李愛群，周廣東.光纖Bragg光纖傳感器測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展與展望 (I) [J].東南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2009，39(6)：1298-1306.

[3] 夏長(zhǎng)根.一起35 kV干式并聯(lián)空心電抗器故障分析 [J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2009，30(5)：43-45.

[4] 劉海瑩，魏賓.干式空心電抗器的運(yùn)行分析及故障處理[J].高壓電器，2004(3).

[5] 何東平，孫白.35 kV干式空芯并聯(lián)電抗器運(yùn)行情況及故障電抗器的解剖分析 [J].電力設(shè)備，2004，5(2)：48 -51.

[6] Ergogan T.Fiber grating spectra[J].lightwave Technol，15 (8)：1277-1294.

[7] 魏鵬，李麗君，郭俊強(qiáng).光纖Bragg光柵應(yīng)力傳感器溫度交叉敏感問(wèn)題研究 [J].應(yīng)用光學(xué)，2008，29(1)：105 -109.

[8] Morey W W，Meltz G，Glenn W H Fiber optic Bragg grating sensors[J].SPIE 1989，1169：98-107.

[9] 莊君剛，閆思安，等.光纖Bragg光柵溫度傳感器在硅橡膠絕緣子溫度特性研究中的應(yīng)用 [J].傳感技術(shù)學(xué) 報(bào)，2013，26(5)：627-631.

[10] 楊洪磊，熊新，等.深度可調(diào)式FBG變壓器油溫傳感器研究 [J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(2)：47-53.

Application of Distributed Fiber Bragg Grating Sensor System in Dry-type Air-core Reactor

ZHANG Jie1，2，TAN Xiangyu1，3，WANG Ke3，CUI Zhigang3，MA Yi3，WU Yangyang1，2，XU Peng1，4
(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University and Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；3.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；4.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

During the long-term operation of dry-type air-core reactor，the environment which shows high temperature，high pressure and strong magnetic field environment，seriously affected the winding inter turn insulation，threatening the safe and normal operation of it.The distributed fiber bragg grating sensor system can measure the temperature and temperature-compensated strain tension within the encapsulated layer，through multi point embedded temperature and strain sensors.Proved by the curing temperature experiment，the system can accurately measure the change trend of the temperature and strain within encapsulated layer，which will provide the important theory basis for real-time monitoring of substation dry-type air-core reactor.

fiber bragg grating(FBG)；dry-type air-core reactor；temperature；strain；online monitoring

TM45

B

1006-7345(2015)03-0020-05

2014-10-19

張潔 (1989)，女，碩士，華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行、分析與控制研究工作，(E-mail)43657016＠qq.com。譚向宇 (1981)，男，博士后，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司與西安交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后工作站，從事高電壓與絕緣技術(shù)方面研究工作， (E-mail)89579253＠qq.com。

王科 (1982)，男，碩士，云南電力試驗(yàn)研究院 (集團(tuán))有限公司電力研究院，從事特高壓污穢絕緣子試驗(yàn)、絕緣子帶電考核在線監(jiān)測(cè)等研究工作，(E-mail)wangke＠csg.cn。