准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

2021-06-22张歆王延祥王瑞琪唐杰杰范德胜陈少达陆飞飞

机械制造与自动化 2021年3期

张歆，王延祥，王瑞琪，唐杰杰，范德胜，陈少达，陆飞飞

(国网江苏徐州供电公司，江苏徐州 221005)

0 引言

人类的日常生活和工农业生产都与电力系统息息相关。电力的输送主要依靠架空输电线路或地下电缆。当输电线路中流过一定的负载电流时会产生发热现象，随着负载电流的增大输电线路的温度也愈来愈高，一旦温度过高会导致短路、火灾甚至是爆炸等严重的安全事故。通常，输电线缆表面温度不超过60℃基本是安全的。为了实现电力系统的安全运营，必须对输电线缆的温度进行实施精确的监测。

目前，高压输电线路安全监测主要依靠人工巡检和布设电信号传感器的方式进行。人工巡检的方式代价高、效率低而且不能实时监测，电学传感器一般采用有源电信号传感器结合无线网络传输数据。然而电学传感器易受电磁场干扰，还存在布线复杂、安装维护困难、绝缘性差等问题[1-2]。光纤传感是一种光学传感测量技术，体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、易组网等优点使其在电力系统安全监测中具有良好的应用前景。近年来，国内外的研究者们报道了多种光纤传感技术在电力领域中的应用，包括电缆测温、电力设备测温、线路覆冰监测、微风振动和电力系统的气体监测等[3-7]。

虽然光纤传感器应用于电力系统安全监测有诸多优势，但光纤本质上是一种导光玻璃纤维，其机械强度较低，在实际使用时通常需要通过金属封装结构对光纤进行保护，才能使传感器适应各种工况[8-10]。对于光纤光栅温度传感器来说，感测温度信息的栅区如果不加以保护或封装，则光栅极易受到外界应力作用从而发生断裂，如果加了保护层或封装结构就会导致热传导特性的改变，影响其响应速度和灵敏度。因此，本文设计了一种基于抗弯拉光纤光栅温度传感器阵列和波分复用(WDM)技术的准分布式输电线路安全监测系统，实现单系统320个测点的同时监测，可用于输电线路温度的长距离实时在线监测，能够满足电力系统安全运行监测的需求。

1 传感器设计

1.1 温度传感器原理

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)是通过改变光纤纤芯的折射率使其产生周期性变化而形成的光栅。当宽带光源入射到FBG中时，满足布拉格条件的光被FBG反射回来，反射光的中心波长称为布拉格波长，满足下式：

λB=2neffΛ

(1)

式中：Λ为光栅周期；neff为光栅的有效折射率。环境温度和应变都会导致FBG有效折射率和光栅周期的变化，从而引起中心波长的漂移，即FBG对温度变化和应变同时敏感。布拉格波长的变化可以表示为

(2)

式中：T为温度；ε为应变。

当FBG仅受温度影响时，热光效应和热膨胀效应会分别使有效折射率和光栅周期发生改变，变化关系可以表示为

(3)

(4)

式(4)即FBG中心波长变化与温度变化之间的关系，这也是FBG用于温度传感的基本原理。FBG对温度的传感特性系数是一个与材料相关的常数，使得FBG对温度信息有较好的线性响应。当环境温度发生变化时，只需根据光栅中心波长的变化量即可得到环境温度信息。需要注意的是，FBG用作温度传感器时需保证FBG不受应力应变的影响。

1.2 传感器阵列及解调系统设计

在基于多光纤光栅串联方案的准分布式光纤传感系统中，需要在单根光纤上串联多个FBG传感器。光纤传感系统一般采用的复用技术包括波分复用、时分复用、空分复用等。由于光纤光栅传感系统以传感器反射中心波长的漂移量为接收信号，所以主要采用波分复用技术。波分复用是根据光源光谱带宽，对不同的光纤布拉格光栅传感器进行光谱编码。发送端将多个波长的光耦合到传感光纤中，传感光纤上布设具有不同中心波长的FBG，接收端将不同波长的光信号分离解调。通过检测和分析各个传感器中心波长的漂移情况，可知不同传感器测量区域的温度变化情况。

根据FBG的温度传感特性，中心波长为1550nm的石英光纤光栅的温度灵敏度约为11.2pm/℃，其有效测温范围通常在-40℃～200℃。而对于电网输电线缆而言，当线缆外皮温度不超过60℃基本是安全的，超过70℃则可认为有危险。因此，对于挂载于输电线缆上的光纤温度传感器而言，多FBG串联的布设方式只需使相邻的两个FBG中心波长相差5nm，即可确保温度变化导致的中心波长漂移不会互相影响。这样，在一个通道上就可串联10个FBG传感器，使用32通道解调系统，可实现320个测点的准分布式温度监测系统，如图1所示。

图1 FBG传感器阵列示意图

由于普通FBG传感器较为脆弱，在安装施工时极易因操作不当或其他意外因素导致传感器断裂失效，而在电网的长期挂网使用过程中，也易因线缆震动或摆动导致受应力过大被拉断。因此，抗弯拉性能对于光纤光栅传感器的工程施工影响很大，对传感器安装后的长期正常使用也具有较大影响。本文使用的光纤光栅为抗弯拉光纤光栅，可以有效地改善普通FBG传感器的机械强度。

光纤光栅传感器阵列通过光开关接入解调系统，解调模块采用全息体相位光栅探测阵列技术。如图2所示，输入光信号经过准直透镜后被全息体相位光栅分光，再经聚焦透镜聚焦到光电探测器上，探测器输出的电信号经处理电路处理后输出至上位机。整个解调系统采用阵列式探测，无机械活动部件，抗震动性能好，体积小巧，测量精度高。

图2 解调系统示意图

2 实验结果与分析

经过前期的理论分析，传感器阵列的每一个通道都分别选用了中心波长为1 525nm、1 530nm、1 535nm、1 540nm、1 545nm、1 550nm、1 555nm、1 560nm、1 565nm、1 570nm的抗弯拉FBG，共32通道320个FBG传感器。每个通道上的10个传感器串联，并通过光纤跳线连接至解调系统各个通道上。

传感器的安装过程如下：1)用砂纸打磨的方式将线缆表面顽固污渍部分去除，再用酒精试剂将线缆表面油污和灰尘等去除干净；2)使用夹具或胶带将FBG固定在粘贴区，使其保持自然伸直状态，避免FBG受到应力影响；3)用毛刷将丙烯酸酯胶黏剂均匀涂抹在FBG栅区两端外侧的单模光纤上，覆盖光纤后用胶带固定，保持24h的固化时间。这种两端点粘的方式可以有效避免传感器受到应力应变的干扰。

首先在实验室内对一段长约10km的线缆进行测试，实验环境的相对湿度为35%，室温为30℃。使用恒温加热台对部分传感器布设区域进行局部加热，并且使用多通道热电偶作为温度标准计。由于传感器数量太多，本文选择通道1中的FBG1-FBG10作为展示对象，其初始状态分别为1 525.073nm、1 530.189nm、1 534.979nm、1 540.133nm、1 544.995nm、1 550.045nm、1 555.102nm、1 559.904nm、1 565.000nm、1 569.932nm。将恒温加热台的温度分别设定为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，每次设定温度后等待10min使加热台温度达到恒定，然后记录数据，得到传感器在30℃～100℃范围内间隔10℃的响应结果。传感器中心波长随温度的变化情况如图3所示。为了便于观察，图4展示了FBG3和FBG4的中心波长随温度的变化。可见，随着环境温度的升高，传感器的中心波长呈线性增大。

图3 传感器中心波长随温度的变化

图4 FBG3与FBG4的中心波长随温度变化图

分别用x和y表示温度和波长值，对采集到的数据进行y=ax+b形式的线性拟合，可得拟合直线的参数如表1所示。其中，FBG1的响应特性拟合直线为y=0.011 12x+1 524.741 75，拟合直线斜率的物理意义就是温度每变化1℃波长飘移0.011 12nm，也就是说FBG1的温度灵敏度为0.011 12nm/℃，即11.12pm/℃。FBG1-FBG10的斜率平均值约为0.011 2，即平均温度灵敏度为11.2pm/℃。

表1 传感器响应特性拟合直线的参数

为验证这种基于光纤光栅阵列输电线路温度监测系统的有效性，将测试电缆架设安装于室外测试现场。在解调系统的上位机软件界面设置各传感器编号FBG1-FBG320，根据上述测试结果分别设置各传感器的一次项系数和常数项以及初始中心波长值，并设置为数据记录间隔为1h，系统自动记录并输出温度数据。测试当日气温为22℃～31℃。自早8∶00起至晚22∶00测得的电缆表面温度数据如图5所示，温度最高值为37.8℃。由于传感器数量过多，本文选择前4个通道的传感器FBG1-FBG40，测得的温度数据绘制成如图6所示的三维变化曲线，从图中可以清晰地看出电缆表面在不同时刻的温度情况。