基于光纖光柵傳感器的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

從軍超，高振國

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

基于光纖光柵傳感器的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

從軍超，高振國

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

鑒于高壓開關(guān)柜高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的工作環(huán)境，提出了采用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)開關(guān)觸頭溫度的方案，并給出了溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及各部分的功能。針對(duì)裸光柵溫度靈敏度系數(shù)低且易受交叉應(yīng)力影響的問題，在光柵傳感原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種增敏型封裝保護(hù)的光纖光柵溫度傳感器，經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析表明，增敏封裝之后的傳感器較裸光柵傳感器的溫度靈敏系數(shù)提高了近7倍，并且將外界應(yīng)力的影響降到了最低，具有一定的工程實(shí)際意義。

高壓開關(guān)柜；光纖光柵；溫度監(jiān)測(cè)；增敏封裝

隨著我國電網(wǎng)容量的不斷增大，電壓等級(jí)不斷升高，保證電網(wǎng)供電可靠性顯得越來越重要。高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中開合電力線路、倒換輸送電力負(fù)荷、退出設(shè)備故障的關(guān)鍵裝置，其工作可靠性與開關(guān)觸頭的工作狀態(tài)密切相關(guān)。高壓開關(guān)柜長期在高電壓、大電流狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部的開關(guān)觸頭常會(huì)因老化、松動(dòng)和接觸電阻過大而引起局部發(fā)熱嚴(yán)重，如若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，往往容易導(dǎo)致火災(zāi)，造成大面積停電事故。因此，對(duì)全封閉的高壓開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警，排除隱患是避免重大電力事故發(fā)生的有效措施，對(duì)保證供電的安全可靠性具有重要意義。同時(shí)，高壓開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)也是電力工業(yè)安全運(yùn)行的重大課題之一。

由于開關(guān)柜內(nèi)的開關(guān)觸頭是處在高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境當(dāng)中，所以傳統(tǒng)的測(cè)溫方法如熱電阻測(cè)溫、熱電偶測(cè)溫、紅外線測(cè)溫?zé)o法滿足實(shí)際的監(jiān)測(cè)要求。目前，對(duì)于溫度監(jiān)測(cè)的研究主要是圍繞著如何實(shí)現(xiàn)高壓隔離以及抗磁干擾進(jìn)行展開的。采用光纖光柵傳感器作為集傳輸與測(cè)量于一體的新型傳感器克服了強(qiáng)電磁環(huán)境的干擾，且其體積小、重量輕、傳輸損耗小，在高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)方面具有其他傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 光纖光柵傳感器測(cè)溫原理

光纖光柵是利用一定的寫入技術(shù)將具有周期性折射率的芯內(nèi)體光柵寫入裸光柵中。其傳感原理是通過外界參量(溫度、應(yīng)力)對(duì)光纖光柵波長的調(diào)制以獲取信息。根據(jù)光柵理論，光纖光柵中心波長λB與有效折射率及調(diào)制周期的關(guān)系表達(dá)式為：

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff為光柵有效折射率；Λ為光柵的調(diào)制周期。

現(xiàn)忽略外界應(yīng)力對(duì)光纖光柵的影響，當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，光纖的熱光效應(yīng)會(huì)使neff發(fā)生改變，熱膨脹效應(yīng)會(huì)使Λ發(fā)生改變。現(xiàn)對(duì)式(1)取微分：

(2)

即可得到光柵中心波長

(3)

令

KT=λBT·(ξ+α)

(4)

KT為裸光柵溫度靈敏系數(shù)。當(dāng)λB≈1 550 nm時(shí)，KT=0.011 2 nm/℃。因此，裸光柵的溫度特性可表示為

ΔλBT=KT·ΔT

(5)

式(5)反映了光纖光柵在理論上對(duì)溫度參量可以獲得較好的線性輸出，如圖1所示。

圖1 裸光柵溫度特性

2 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)成

光纖光柵測(cè)溫傳感系統(tǒng)主要包括：傳感光柵陣列、3 dB光纖耦合器、可調(diào)節(jié)濾波器、激光寬帶光源、信號(hào)處理模塊(光電轉(zhuǎn)換、放大處理)、通訊模塊和計(jì)算機(jī)終端。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 傳感器測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SLD光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入到傳感光柵陣列，符合反射波長的光反射帶回具有溫度信息的光，而后進(jìn)入到可調(diào)F-P腔濾波器，只有滿足相干條件的特定波長才能發(fā)生干涉。在可控鋸齒波電壓的作用下，濾波器導(dǎo)通波長與反射波長相等的光被光探測(cè)器探測(cè)到，然后光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理、功率放大、AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入到DSP(數(shù)字處理)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。通訊模塊接收來自計(jì)算機(jī)終端的指令，通過RS485與計(jì)算機(jī)連接，將溫度數(shù)據(jù)上傳。

3 系統(tǒng)傳感器封裝

在高壓開關(guān)柜中，斷路器的開關(guān)動(dòng)作會(huì)造成一定的震動(dòng)，而裸光柵的主要成分是SiO2，質(zhì)地非常脆弱，容易因震動(dòng)發(fā)生斷裂，所以有必要對(duì)其進(jìn)行封裝保護(hù)，以滿足實(shí)際的工程需求。此外，除對(duì)溫度參量敏感之外，光纖光柵對(duì)外界應(yīng)力也會(huì)敏感。現(xiàn)忽略溫度參量對(duì)光柵波長變化的影響，只考慮應(yīng)變對(duì)波長變化帶來的影響，則

(6)

式中，Pei為光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)；εT為外界軸向應(yīng)力，一般取0.22。

由式(5)和式(6)可知，溫度以及外界應(yīng)力均會(huì)對(duì)光柵波長的變化產(chǎn)生影響，即

(7)

由公式(7)可知，僅由ΔλB不能區(qū)分溫度或者外界應(yīng)力帶來的影響，進(jìn)而使測(cè)量的結(jié)果不能正確反映溫度的變化。因此必須對(duì)光纖光柵采取有效的應(yīng)力補(bǔ)償措施以消除應(yīng)變對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

據(jù)國內(nèi)外學(xué)者分析可知，裸光柵可直接用于對(duì)溫度的測(cè)量，但其溫度靈敏度不高，僅為0.01 nm/℃左右，不能滿足當(dāng)前我國開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)的工程需求。所以，必須采取一定的措施對(duì)光纖光柵進(jìn)行溫度增敏。

綜合以上分析，為滿足實(shí)際的工程需求，對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行物理保護(hù)、應(yīng)力補(bǔ)償、溫度增敏最有效的措施就是對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。

3.1 物理結(jié)構(gòu)

工程上，常見的封裝方式有貼片封裝、管式封裝和盒式封裝。鑒于高壓開關(guān)柜特殊的工作環(huán)境以及基本的封裝要求(重復(fù)性、穩(wěn)定性、線性度)，設(shè)計(jì)了如下方案對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，其物理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 封裝傳感器物理結(jié)構(gòu)

金屬套管選用熱膨脹系數(shù)較高的鋁套，其熱膨脹系數(shù)α1=23×10-6m/℃，石英管的熱膨脹系數(shù)α2=5.5×10-7m/℃，光柵選用在常溫狀態(tài)下波長λB=1 550 nm的光柵，熱膨脹系數(shù)α3=5.5×10-7m/℃。石英管的機(jī)械長度l=12 mm，光柵長度d=16 mm，金屬套管的機(jī)械長度2l+d=40 mm。此外，在封裝過程中對(duì)光纖光柵施加一定的預(yù)張力，以減小因封裝而產(chǎn)生的波長飄移。封裝完成后將光纖光柵傳感器進(jìn)行熱退火處理，以消除環(huán)氧樹脂固化過程中形成的內(nèi)部殘余應(yīng)力。

3.2 工作機(jī)理

將封裝處理好的傳感器放于高壓開關(guān)柜靜觸頭處，隨著觸頭溫度升高，金屬套管受熱膨脹向兩側(cè)延伸，其左端拉動(dòng)石英管左端，右端拉動(dòng)石英管右端，左右雙向帶動(dòng)光纖光柵使光柵伸長。當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，因傳感器結(jié)構(gòu)伸縮引起的應(yīng)變?yōu)?/p>

(8)

即

(9)

由式(6)可知

(10)

結(jié)合式(9)和式(10)可知，溫度變化ΔT時(shí)，因應(yīng)變引起的波長變化為

(11)

則式(7)可表示為

即

(ξ+α)}·ΔT

(12)

將α1=23×10-6/℃，α2=α3=α=5.5×10-7/℃，ξ=6.67×10-6/℃帶入式(12)中得

(13)

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

將封裝好的光柵溫度傳感器與裸光柵傳感器分別置于可控溫度箱中，調(diào)節(jié)溫度箱的溫度自零下20℃至零上120℃，每隔20℃用解讀器讀取對(duì)應(yīng)溫度下的光柵中心波長λB并記錄。記錄結(jié)果如表1所示。

根據(jù)解讀器讀取結(jié)果，應(yīng)用MATLAB中的cftool擬合工具對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。擬合結(jié)果如圖4所示。

由圖中可以看出，未經(jīng)封裝的裸光柵傳感器其溫度特性為

ΔλBT=KT·ΔT=0.012 04·ΔT

線性擬合度為99.92%。

經(jīng)有效封裝后的光柵傳感器其溫度特性為

線性擬合度為99.97%。

表1 波長記錄表

圖4 傳感器封裝前后對(duì)比

4 結(jié) 語

提出了應(yīng)用光纖光柵溫度傳感器組建高壓開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，并解決了系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題之一——封裝問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)封裝后的傳感器在抗震能力、免應(yīng)力干擾、靈敏度等方面優(yōu)于裸光柵傳感器，并將靈敏度系數(shù)提升了近7倍，解決了測(cè)溫系統(tǒng)中靈敏度不足的問題，滿足了實(shí)際的工程需要。

[1]李 強(qiáng)，王艷松，劉學(xué)民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(1):135-140.

[2]李中祥，宋建成.高壓隔離開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].高壓電器，2009，45(2):11-14.

[3]鞏憲鋒，衣紅鋼，王長松，等.高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測(cè)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(1):155-158.

[4]吳曉文，舒乃秋，李洪濤，等.基于光纖光柵的氣體絕緣開關(guān)母線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013,33(4):155-160.

[5]錢祥忠.高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007，2(1):73-75.

[6]尹春杰.基于光纖光柵的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].光通信技術(shù)，2011，10(1):35-37.

[7]龔天森，仝芳軒.基于光纖光柵傳感器高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光雜志，2014，35(9):89-91.

[8]胡家艷.光纖光柵傳感器應(yīng)力補(bǔ)償及溫度增敏封裝[J].傳感器世界，2005，29(4):29-31.

[9]衣紅鋼，鞏憲鋒，王長松.高靈敏度光纖光柵溫度傳感器的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(8):10-12.

[10]張蔭民，張學(xué)智，劉 鋒，等.管式光纖光柵溫度傳感器封裝與傳感特性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(10):89-92.

[11]姜德生，何 偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子·激光，2002，13(4)：420-430.

[12]張修鵬，李捍東，于 浩，等.基于光纖光柵的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2013，33(10):1289-1292.

[13]祁耀斌，吳敢鋒，王月明.電力電纜光纖光柵實(shí)時(shí)在線測(cè)溫傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42(11):3415-3420.

[14]梁偉明.采用光纖光柵傳感技術(shù)的變電所開關(guān)溫度監(jiān)測(cè)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，6(3):723-725.

[15]信思金，柴 偉.光纖Bragg光柵溫度傳感器封裝方法研究[J].傳感器技術(shù)，2004，23(4):10-12.

[16]劉 林.35 kV變電站溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，12(2)：139-142.

(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 魏靜敏)

Research on Temperature Monitoring System in HV SwitchCabinet Based on Fiber Bragg Grating Sensor

CONG Jun-chao,GAO Zhen-guo

(School of Electrical Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

In view of the high voltage,strong magnetic field working environment in HV switch cabinet,a solution of using fiber Bragg grating sensor monitoring the temperature of switch contacts was proposed in this paper,and the overall structure and functions of each part of the temperature monitoring system were also presented.Aiming at the problem of low temperature sensitivity coefficient and influence of cross stress of the naked grating,a sensitization encapsulation fiber grating temperature sensor was designed on the basis of the principle of grating sensor.By the contrast experiment analysis,the temperature sensitivity coefficient of the sensor after sensitization encapsulation is nearly 7 times the naked grating sensor,and the influence of the external stress is dropped to the lowest,which has certain practical engineering significance.

HV switch cabinet；Fiber Bragg grating；Temperature monitoring；Sensitivity enhancing

2016-06-26

從軍超(1992-)，男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生。

高振國(1965-)，男，遼寧蓋縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.011

TP212

A

1673-1603(2016)04-0340-05