光纖光柵傳感器在高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

祁欣+王金帥+王愷笛

摘 要：鑒于高壓開關(guān)柜高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的工作環(huán)境，本文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)研究分析，增敏封裝之后的傳感器較裸光柵傳感器，其溫度靈敏系數(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。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；光纖光柵；溫度監(jiān)測(cè)；增敏封裝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.241

0 前言

隨著我國(guó)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)[1]。高壓開關(guān)柜長(zhǎng)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[2]，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[3，7]無法滿足實(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。本文采用的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)變）對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)的調(diào)制以獲取信息[4]。

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、3dB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、計(jì)算機(jī)終端。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

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(zhǎng)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(zhǎng)才能發(fā)生干涉，產(chǎn)生相干極大[5]。在可控鋸齒波電壓的作用下，濾波器導(dǎo)通波長(zhǎng)與反射波長(zhǎng)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)中的關(guān)鍵問題----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[6]，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)變也會(huì)敏感[7]?，F(xiàn)忽略溫度參量對(duì)光柵波長(zhǎng)變化的影響，只考慮應(yīng)變對(duì)波長(zhǎng)變化帶來的影響，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(guó)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0.01nm/℃左右，不能滿足當(dāng)前我國(guó)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、盒式封裝[8]。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）[9]，本文設(shè)計(jì)了如下方案對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。

石英管的機(jī)械長(zhǎng)度，光柵長(zhǎng)度，金屬套管的機(jī)械長(zhǎng)度。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(zhǎng)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[10]。

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(zhǎng)。經(jīng)封裝后的傳感器其溫度靈敏度較裸光柵提升了近7倍。

4 結(jié)論

本文提出了應(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——增敏封裝問題。通過研究分析可知，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。

參考文獻(xiàn)：

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[5]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（04）：155-160.

作者簡(jiǎn)介：祁欣（1982-），工程師，研究方向：火力發(fā)電廠設(shè)備自動(dòng)化。