基于光纤光栅的气体绝缘开关母线温度在线监测系统

吴晓文，舒乃秋，李洪涛，金向朝，谢志杨

（1.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；2.广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000）

0 引言

气体绝缘开关 GIS（Gas Insulated Switchgear）设备理论上故障率低，但一旦发生故障其后果较普通电气设备更加严重[1]。2007年7月12日，佛山供电局辖区荷城变电站GIS母线对地击穿；2010年6月11日，220 kV丹桂站GIS母线发生三相短路故障，电弧导致母线烧蚀。造成上述故障的原因在于GIS母线触头因接触电阻增大产生过高的温升导致母线触头表面熔焊，熔焊产生的金属微粒致使电场畸变，进而引发电弧。因此，如果能够对GIS母线温度进行在线监测，实时监控母线温度及其发展趋势，在母线过热时进行超温预警并组织检修，将有利于降低GIS母线过热性故障的发生几率，对电力系统的安全运行具有现实意义。

目前，GIS母线温度在线监测主要难度在于传感器性能不能满足实际需要，表现在传感器灵敏度及测温精度不够，不能快速响应GIS母线温度变化。常用的非在线监测手段如红外测温方法，主要采用手持式红外热像仪对GIS母线温度进行定期检测，其分辨率与测温精度较高，但价格昂贵，测试的有效性易受到环境等因素的影响，而且难以实现在线监测系统的一体化集成[2-3]。分布式光纤测温技术根据光纤中激发的反斯托克斯光与斯托克斯光光强的比值实现温度解调，具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀等优点，属于在线监测方法，同时也在电力系统中得到广泛应用，但存在测温精度低、空间定位精度较差等问题[4-7]。

光纤光栅测温技术根据入射波长与反射波长变化解调温度信号，具有抗干扰能力强、尺寸小巧、可定点测量等优点[7-8]，其灵敏度及迟滞特性与传感器的增敏及封装方法密切相关，通过设计不同结构或材料的基底，可显著提高测量精度及灵敏度，从而满足实际需要。本文利用光纤光栅作为温度传感元件，设计并研制了GIS母线温度在线监测系统，对佛山供电局某110 kV变电站室内GIS母线各间隔三相母线及其对应环境温度进行实时监测。与手持式红外热像仪测温结果的对比以及现场试运行情况表明，该GIS母线温度在线监测系统具有较高的测温精度及灵敏度，能够实时、有效监测母线的发热状况，提高了GIS的安全运行水平。

1 光纤光栅温度传感原理

光纤光栅利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯通过紫外光曝光的方法形成空间相位光栅制作而成，其传感原理是通过外界参量对光纤光栅中心波长的调制以获取信息。根据光栅理论[9]，宽带连续光通过光纤光栅时，与光纤光栅中心波长相匹配的光波将发生反射，其余光波直接透射过去，如图1所示。

图1 光纤光栅传感原理图Fig.1 Schematic diagram of fiber Bragg grating sensor

光纤光栅中心波长与纤芯有效折射率和光栅调制周期的关系表述为[10-11]：

其中，λB为光纤光栅中心波长，neff为纤芯有效折射率，Λ为光纤光栅调制周期。

由式（1）可知，纤芯有效折射率和光纤光栅调制周期的变化均会改变光纤光栅的中心波长，根据光纤材料的热光效应，纤芯有效折射率和光栅调制周期均随温度变化而变化。忽略波导效应，将式（1）进行泰勒展开，同时保留一阶导数项[8]：

其中，α为裸栅热膨胀系数，ξ为裸栅热光系数。由式（2）得知，温度变化对光纤光栅中心波长的影响是由热膨胀效应及热光效应产生的，通过检测光纤光栅入射波长与反射波长的变化即可实现波长-温度解调。

2 系统整体设计

GIS母线温度在线监测系统主要由光纤光栅传感器阵列、参考光纤光栅、宽带光源、3 dB耦合器、可控锯齿波发生器、F-P腔可调滤波器、光电转换器、信号调理电路、数字信号处理模块以及工控机等组成。图2为系统硬件原理框图。

图2 系统硬件原理框图Fig.2 Block diagram of system hardware

如图2所示，数字信号处理模块控制锯齿波发生器驱动F-P腔滤波器进行波长扫描，宽带光源发出的光波经F-P腔滤波器扫描后输出一系列离散脉冲光信号，该脉冲光经3dB耦合器分别进入光纤光栅传感器阵列以及参考光纤光栅阵列，而只有与各光纤光栅中心波长相匹配的脉冲光才能够被反射回来，光电转换器将反射回的光信号转换为电信号，由信号调理电路进行整形、滤波等处理，数字信号处理模块将处理后的信号进行A／D转换，通过一定的峰值查找办法确定各反射光中心波长的位置及其对应的锯齿波扫描电压值，并根据拟合得出的F-P腔扫描电压与透射波长的关系实现波长解调[12-13]。最后工控机根据波长与温度之间的标定关系计算出每个光纤光栅传感器的温度值并存储。

3 系统主要硬件设计

3.1 光纤光栅增敏封装及传感器阵列设计

由于裸栅灵敏度只有10 pm／℃左右，因此通常把光纤光栅预拉伸后封装在具有更高热膨胀系数的基底材料中以达到增敏目的，称为增敏封装。增敏后的波长-温度关系为[8]：

其中，Pe为光纤的有效弹光系数，αs为封装材料的热膨胀系数。对于铝合金增敏光纤光栅，其灵敏度可达到30 pm／℃，提高到未增敏时的3倍。

受封装工艺的影响，光纤光栅传感器内部应力、应变不均，对传感器线性度、迟滞特性以及重复性有很大影响，如何控制封装工艺是传感器制作的关键。为了降低复杂增敏结构对传感器特性的影响，本文采用单一铝合金材料作为增敏基底。将光纤光栅经过不同程度的预拉伸后，利用353ND双组份环氧树脂粘接在基底上。待胶完全干结后，为了消除光纤光栅传感器的残余应力，将光纤光栅传感器置于高低温箱内反复进行升降温老化实验。由于封装工艺的差别，即使同一批光纤制作的光纤光栅温度敏感特性也略有不同。因此，用作传感的光纤光栅温度传感器需要分别经过高低温标定实验才能确定各自的波长-温度关系。具体方法为，将传感器置于高低温箱内，调节箱内温度由5℃升高至60℃，再降至5℃（具体温度范围由安装现场温度决定），每隔5℃记录一次传感器波长数据，并以铂电阻点温计（精度0.05℃）测量箱内实际温度，每次温度稳定时间约为40 min，如此重复3次后对各行程波长取平均值。采用上述标定方法得到的波长-温度曲线如图3所示，传感器灵敏度为30 pm／℃，迟滞小于10 pm，通过该标定曲线配置传感器参数后，传感器测温精度达到0.3℃。

图3 波长与温度标定曲线Fig.3 Calibration curves of wavelength and temperature

铝合金增敏封装后的光纤光栅温度传感器，主要由增敏基底、盖板、热缩管及光纤光栅构成。光纤光栅传感器位于盖板及基底之间，热缩管与盖板的作用在于保护光纤及光纤光栅，使其免受外力破坏。

结合现场GIS的实际结构，GIS母线温度在线监测系统分为4个通道（包括32个温度监测点，每8只不同中心波长的光纤光栅温度传感器串联构成1个测温通道），其中3个通道分别用于不同间隔A相、B相和C相的温度监测，1个通道悬空用于监测各间隔对应的环境温度。

3.2 波长解调模块

光纤光栅传感器阵列与工控机以外的其他硬件统称波长解调模块，主要分为光路部分和电路部分。

光路部分包括宽带光源、F-P腔滤波器、3dB耦合器以及参考光纤光栅。其中，光源选用宽带ASE光源，中心波长为1550 nm，带宽为±40 nm，输出功率为3 mW；由于采用波分复用方式，宽带光源的波长范围必须能够满足传感器阵列复用的要求，本系统中每只传感器占用4 nm的带宽；F-P腔扫描滤波器采用MOI公司产品，型号为FFP-TF，中心波长为1550 nm，自由光谱范围为60 nm，由于F-P腔滤波器腔长漂移、驱动元件非线性以及压电体的迟滞特性，因此F-P腔滤波器的输入与输出存在着很大的非线性，此处采用参考光纤光栅作为光纤光栅传感器阵列波长解调的基准，利用文献[12-13]提出的曲线拟合方法确定F-P腔扫描电压与透射波长的关系；3 dB光纤耦合器的中心波长为1 550 nm，带宽±40 nm，其作用在于将F-P腔滤波器输出的光分离到光纤光栅传感器阵列中，并将光纤光栅反射光传输至光电转换器。

电路部分包括光电转换器、信号调理电路、锯齿波发生器以及数字信号处理模块4个部分。其中，锯齿波发生器与数字信号处理模块最为关键。

可控锯齿波发生电路的作用是产生频率800Hz、幅值0～18 V的连续稳定锯齿波电压信号，通过该电压信号驱动F-P腔滤波器进行波长扫描。该电路主要由波形发生器ICL8038、仪表放大器AD620、光耦合器4N33、单稳态触发器CD14538以及模拟开关CD4053组成。如图4所示，数字信号处理模块输出“开关信号”控制波形发生器ICL8038起振。使用ICL8038的2路输出电压信号，一路为锯齿波电压信号，另一路为方波电压信号。由于ICL8038输出的锯齿波电压无法达到驱动F-P腔滤波器的要求，因此该锯齿波电压信号需要通过AD620进行放大。另一路方波电压信号则通过光电耦合器件4N33后产生0～5V的方波，CD14538将该方波转换为“脉冲信号”，利用该脉冲信号控制数据采集的开始与结束时刻。

需要说明的是，AD620输出的锯齿波电压信号除了驱动F-P腔进行扫描滤波外，还通过P3送至数字信号处理模块进行数据采集。同时，数字信号处理模块接收信号调理模块输出的波长电压值。数字信号处理器芯片正是利用这2组电压的采集结果实现峰值查找，进而根据F-P腔滤波器的电压-波长拟合关系进行波长解调与存储。数字信号处理模块采样频率为50 Hz，采样波形如图5所示。

图4 锯齿波发生器电路原理图Fig.4 Schematic diagram of sawtooth wave generator circuit

图5 DSP采样波形Fig.5 Waveform of DSP sampling

4 系统软件设计

GIS母线温度在线监测系统的软件部分采用VB语言编制，系统模块主要包括：传感器参数配置、采集控制、波长-温度转换、数据存储、故障诊断以及历史数据查询等，程序流程如图6所示。

由于各传感器参数并不一致，采用Gauss-Newton法对每只传感器的波长-温度标定数据进行最小二乘拟合，将各传感器参数存入SQL Server数据库，在程序初始化时调用；传感器波长信号采用LAN端口由数字信号处理模块通过用户数据包协议（UDP）传输至工控机，由工控机实现波长-温度转换并存储，存储格式包括传感器编号、日期、时间及温度值；系统可自动设置采样周期，正常情况下按照所设置的采样周期存储数据，一旦发现过热故障系统首先连续采集3次以排除干扰因素，之后加快采集频率，每分钟采集一次温度值；将实时温度与环境温度、同相各传感器温度以及历史温度对比分析实现故障判断并在故障情况出现时发出预警信息；故障信息数据库设置用户权限，不得随意更改；软件集成了GIS母线各间隔、各相序当天温度曲线显示功能，同时各项历史数据，如年、季度、月份、日等，可方便查询并直观显示，以便了解GIS母线的历史温度状况。

为了避免系统出现故障误报的情况，系统利用相同间隔不同相母线温度、单一间隔单相母线历史温度与环境温度形成三重故障判据对是否出现故障进行诊断，如果3个判据同时满足则判定该间隔母线发生故障，诊断流程如图7所示。值得一提的是，由于GIS母线温度受环境温度以及通风条件的影响较大，因此各个判据的合理阈值需要根据现场长期运行经验逐步确定。根据目前的试运行结果，正常情况下母线各监测点温度与环境温度具有相同的变化幅度，二者最大差值不超过3℃；三相导体温差稳定，且最大温差不超过2℃；考虑接触电阻增大引起的发热属于缓慢变化的过程，与10 d内平均历史温度的对比阈值暂定为1℃。

图6 系统软件流程图Fig.6 Flowchart of system software

图7 过热故障诊断流程图Fig.7 Flowchart of overheat diagnosis

5 现场安装及试运行

5.1 传感器的安装布局

根据温度场数值仿真结果[14-15]，考虑GIS母线外壳内部SF6气体的流动性，温度较高的气体密度较小，浮力的作用使其主要集中于外壳内部上方位置，下方流体几乎处于静止状态。外壳最高温度位于A、C相导体上方，最低温度位于B相导体下方。对于母线波纹管位置，综合考虑最佳测温灵敏度以及因传感器过于接近而导致各测点温度无明显差异等问题，传感器安装位置如图8（a）所示；对于母线各间隔出线位置，受热气体在母线竖直部分绝缘子下方聚集，冷却后又回流到导体附近，所以最高温度出现在母线竖直部分，考虑温度测量的灵敏度以及母线结构对安装位置的影响，传感器安装位置如图8（b）所示。

图8 GIS母线不同位置传感器安装示意图Fig.8 Schematic diagram of sensor installation for GIS bus

根据国标规定，母线导体的最高允许温度为85～90℃，外壳的最高允许温度为65～70℃。目前已有研究成果表明GIS外壳温度能够即时响应导体温度变化，并且均对稳态情况下母线温度场进行了预测与实验验证[16-17]。分析结果表明，对于三相GIS母线，稳态情况下导体温度变化1℃，外壳温度变化达到0.42～0.56℃。而本文设计的光纤光栅温度传感器灵敏度为30 pm／℃，分辨率达到0.03℃，因此完全满足GIS母线测温的要求。

5.2 与红外测温法对比

为了验证GIS母线导体温度在线监测系统测温的准确性，将系统测温结果与TherCAM P45型手持式红外热像仪测温结果进行对比，对比结果如表1所示。对于母线不同位置处的7个测温点，手持式红外测温仪测量结果与系统测量结果一致，最大偏差为2.21%。另外，通过人为增加GIS母线表面的对流换热效果，在1 min内，基于光纤光栅测温技术的GIS母线温度在线监测系统能够迅速感应温度变化，手持式红外测温仪所测温度几乎不变，表明该系统具有较高的测温灵敏度。

表1 系统测温与红外测温结果Tab.1 Comparison of measured temperatures between monitoring system and infrared measuring equipment

5.3 试运行结果及分析

GIS母线温度在线监测系统于2010年底投入试运行，运行期间各相母线运行温度正常，无突变或持续升温现象。以11月份某间隔三相母线为例，母线温度发展趋势如图9所示。

图9 一个月内GIS母线温度变化趋势Fig.9 Temperature variation tendency of GIS bus for one month

由图9可见，GIS母线每天温度变化具有规律性，温度曲线呈抛物线状，08∶00 左右温度最低，17∶00至18∶00期间温度最高，之后温度逐渐回落；由于该GIS处于室内，通风条件相对较差，母线昼夜温差不超过2℃，该温度变化特性主要是由日照强度、当地居民及工厂负荷特性造成的；三相母线中B相母线温度最高，A相母线稍低，C相母线温度最低，C相与A、B两相最大温差为0.5℃，这一现象表明，GIS负荷电流并不完全对称，相间电流存在差异，该结论与变电站后台负荷监测系统显示结果吻合；母线温度与环境温度具有相同的变化趋势但变化幅度不同，说明母线温度不仅与环境温度相关，而且与负荷电流大小也存在一定关系。

6 结论

本文将光纤光栅测温技术应用于GIS母线温度在线监测，介绍了光纤光栅传感原理与传感器制作的关键因素，设计并研制了GIS母线温度在线监测系统，分析了传感器安装布局及系统现场试运行结果。通过与手持式红外测温仪测温结果的对比证明本文系统具有更高的测温精度及灵敏度。现场运行数据表明，GIS母线运行温度与环境、负荷因素密切相关，该系统能够有效监测母线温度及其变化趋势，对于GIS母线安全运行具有现实意义。但由于母线内外热传递过程较为复杂，影响因素较多，系统尚不能够利用监测结果推断出母线导体的确切温度。在今后的工作中，将采用有限元多物理场耦合计算并配合大量模拟实验的方法，建立导体温度与所监测温度之间的计算关系，进而实现母线导体温度的实时预测。