基于光纤光栅传感器的高压开关柜温度监测系统的研究

从军超，高振国

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

基于光纤光栅传感器的高压开关柜温度监测系统的研究

从军超，高振国

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

鉴于高压开关柜高电压、强磁场的工作环境，提出了采用光纤光栅传感器监测开关触头温度的方案，并给出了温度监测系统的整体结构以及各部分的功能。针对裸光栅温度灵敏度系数低且易受交叉应力影响的问题，在光栅传感原理的基础上，设计了一种增敏型封装保护的光纤光栅温度传感器，经对比实验分析表明，增敏封装之后的传感器较裸光栅传感器的温度灵敏系数提高了近7倍，并且将外界应力的影响降到了最低，具有一定的工程实际意义。

高压开关柜；光纤光栅；温度监测；增敏封装

随着我国电网容量的不断增大，电压等级不断升高，保证电网供电可靠性显得越来越重要。高压开关柜作为电力系统中开合电力线路、倒换输送电力负荷、退出设备故障的关键装置，其工作可靠性与开关触头的工作状态密切相关。高压开关柜长期在高电压、大电流状态下运行时，其内部的开关触头常会因老化、松动和接触电阻过大而引起局部发热严重，如若发现不及时，往往容易导致火灾，造成大面积停电事故。因此，对全封闭的高压开关柜进行实时温度监测，并实现预报警，排除隐患是避免重大电力事故发生的有效措施，对保证供电的安全可靠性具有重要意义。同时，高压开关触头温度在线监测也是电力工业安全运行的重大课题之一。

由于开关柜内的开关触头是处在高电压、强磁场的环境当中，所以传统的测温方法如热电阻测温、热电偶测温、红外线测温无法满足实际的监测要求。目前，对于温度监测的研究主要是围绕着如何实现高压隔离以及抗磁干扰进行展开的。采用光纤光栅传感器作为集传输与测量于一体的新型传感器克服了强电磁环境的干扰，且其体积小、重量轻、传输损耗小，在高压开关柜温度监测方面具有其他传统传感器无法比拟的优势。

1 光纤光栅传感器测温原理

光纤光栅是利用一定的写入技术将具有周期性折射率的芯内体光栅写入裸光栅中。其传感原理是通过外界参量(温度、应力)对光纤光栅波长的调制以获取信息。根据光栅理论，光纤光栅中心波长λB与有效折射率及调制周期的关系表达式为：

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff为光栅有效折射率；Λ为光栅的调制周期。

现忽略外界应力对光纤光栅的影响，当温度发生改变时，光纤的热光效应会使neff发生改变，热膨胀效应会使Λ发生改变。现对式(1)取微分：

(2)

即可得到光栅中心波长

(3)

令

KT=λBT·(ξ+α)

(4)

KT为裸光栅温度灵敏系数。当λB≈1 550 nm时，KT=0.011 2 nm/℃。因此，裸光栅的温度特性可表示为

ΔλBT=KT·ΔT

(5)

式(5)反映了光纤光栅在理论上对温度参量可以获得较好的线性输出，如图1所示。

图1 裸光栅温度特性

2 光纤光栅测温系统构成

光纤光栅测温传感系统主要包括：传感光栅阵列、3 dB光纤耦合器、可调节滤波器、激光宽带光源、信号处理模块(光电转换、放大处理)、通讯模块和计算机终端。系统构成如图2所示。

图2 传感器测温系统结构

SLD光源发出的宽带光经光纤耦合器进入到传感光栅阵列，符合反射波长的光反射带回具有温度信息的光，而后进入到可调F-P腔滤波器，只有满足相干条件的特定波长才能发生干涉。在可控锯齿波电压的作用下，滤波器导通波长与反射波长相等的光被光探测器探测到，然后光电转换模块将光信号转换为电信号经过信号处理、功率放大、AD转换进入到DSP(数字处理)进行处理，得到相应的温度数据。通讯模块接收来自计算机终端的指令，通过RS485与计算机连接，将温度数据上传。

3 系统传感器封装

在高压开关柜中，断路器的开关动作会造成一定的震动，而裸光栅的主要成分是SiO2，质地非常脆弱，容易因震动发生断裂，所以有必要对其进行封装保护，以满足实际的工程需求。此外，除对温度参量敏感之外，光纤光栅对外界应力也会敏感。现忽略温度参量对光栅波长变化的影响，只考虑应变对波长变化带来的影响，则

(6)

式中，Pei为光栅应变灵敏度系数；εT为外界轴向应力，一般取0.22。

由式(5)和式(6)可知，温度以及外界应力均会对光栅波长的变化产生影响，即

(7)

由公式(7)可知，仅由ΔλB不能区分温度或者外界应力带来的影响，进而使测量的结果不能正确反映温度的变化。因此必须对光纤光栅采取有效的应力补偿措施以消除应变对测量结果的干扰。

据国内外学者分析可知，裸光栅可直接用于对温度的测量，但其温度灵敏度不高，仅为0.01 nm/℃左右，不能满足当前我国开关柜测温系统的工程需求。所以，必须采取一定的措施对光纤光栅进行温度增敏。

综合以上分析，为满足实际的工程需求，对光纤光栅温度传感器进行物理保护、应力补偿、温度增敏最有效的措施就是对光纤光栅进行封装。

3.1 物理结构

工程上，常见的封装方式有贴片封装、管式封装和盒式封装。鉴于高压开关柜特殊的工作环境以及基本的封装要求(重复性、稳定性、线性度)，设计了如下方案对光纤光栅进行封装，其物理结构图如图3所示。

图3 封装传感器物理结构

金属套管选用热膨胀系数较高的铝套，其热膨胀系数α1=23×10-6m/℃，石英管的热膨胀系数α2=5.5×10-7m/℃，光栅选用在常温状态下波长λB=1 550 nm的光栅，热膨胀系数α3=5.5×10-7m/℃。石英管的机械长度l=12 mm，光栅长度d=16 mm，金属套管的机械长度2l+d=40 mm。此外，在封装过程中对光纤光栅施加一定的预张力，以减小因封装而产生的波长飘移。封装完成后将光纤光栅传感器进行热退火处理，以消除环氧树脂固化过程中形成的内部残余应力。

3.2 工作机理

将封装处理好的传感器放于高压开关柜静触头处，随着触头温度升高，金属套管受热膨胀向两侧延伸，其左端拉动石英管左端，右端拉动石英管右端，左右双向带动光纤光栅使光栅伸长。当温度变化ΔT时，因传感器结构伸缩引起的应变为

(8)

即

(9)

由式(6)可知

(10)

结合式(9)和式(10)可知，温度变化ΔT时，因应变引起的波长变化为

(11)

则式(7)可表示为

即

(ξ+α)}·ΔT

(12)

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

(13)

3.3 实验分析

将封装好的光栅温度传感器与裸光栅传感器分别置于可控温度箱中，调节温度箱的温度自零下20℃至零上120℃，每隔20℃用解读器读取对应温度下的光栅中心波长λB并记录。记录结果如表1所示。

根据解读器读取结果，应用MATLAB中的cftool拟合工具对记录数据进行线性拟合。拟合结果如图4所示。

由图中可以看出，未经封装的裸光栅传感器其温度特性为

ΔλBT=KT·ΔT=0.012 04·ΔT

线性拟合度为99.92%。

经有效封装后的光栅传感器其温度特性为

线性拟合度为99.97%。

表1 波长记录表

图4 传感器封装前后对比

4 结 语

提出了应用光纤光栅温度传感器组建高压开关柜触头温度监测系统的方案，并解决了系统中的关键问题之一——封装问题。经实验数据分析，经封装后的传感器在抗震能力、免应力干扰、灵敏度等方面优于裸光栅传感器，并将灵敏度系数提升了近7倍，解决了测温系统中灵敏度不足的问题，满足了实际的工程需要。

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(责任编辑 佟金锴 校对 魏静敏)

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

从军超(1992-)，男，河北邢台人，硕士研究生。

高振国(1965-)，男，辽宁盖县人，副教授，硕士生导师。

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

TP212

A

1673-1603(2016)04-0340-05