火电机组高压开关柜光纤光栅温度感知技术的开发与应用

张操 彭志敏 魏逸飞 藏亮 徐昊源

摘 要：针对高压开关柜温度过热问题，提出使用光纤光栅温度传感器实时在线监测方法，通过基于相位掩模板技术研究光纤制备前载氢、制备时光纤两端预拉力、制备后的退火工艺对光纤光栅传感器的光谱特性参数的影响规律，并且开展了制备后光纤光栅传感器性能测试，实验验证光纤光栅传感器测温具有较高的稳定性和精确性，光纤光栅温度传感器为高压开关柜温度监测提供理论基础。

关键词：高压开关柜;光纤光栅;性能测试;温度

Abstract：Aiming at the overheating problem of high-voltage switchgear，a real-time online monitoring method using fiber grating temperature sensor is proposed.Based on the phase mask technology，the hydrogen loading before fiber preparation，the pre-tension at both ends of the fiber during preparation，and the annealing process after preparation are used to study the effect of fiber grating sensor on the fiber grating sensor.The influence law of the spectral characteristic parameters，and the performance test of the fiber grating sensor after preparation has been carried out.The experiment verifies that the fiber grating sensor has high stability and accuracy in temperature measurement，which provides a theoretical basis for the fiber grating temperature sensor to monitor the temperature of the high-voltage switchgear.

Keywords：High voltage switch cabinet;fiber grating;performance test;temperature

1 概述

隨着智能电网、超高压电网规模的不断扩大以及电力设备数量的急剧增长等因素，使得电力需求保持刚性增加，对火电机组的供电系统要求也在不断提高。高压开关柜作为火电机组系统运行的重要组成部分，其运行可靠性直接关系电力生产安全。高压开关柜在运行过程中，由于电气设备故障等原因会引起开关柜内部温度过高，进而导致安全事故的发生[1-3]。据当前情况来看，在实际工业当中实时监测开关柜温度能减少人工巡检成本、降低人工误判带来的严重后果;由于开关柜是将多个电气设备集中在一起的组合设备，其内部某些关键位置人工无法巡检，且开关柜处于高电压，强磁场的环境下，对开关柜进行温度监测能够提前预估温度，以免过高引起的灾害事故，保障生产安全[4]。因此实时监测开关柜的温度很有必要。

光纤光栅温度传感技术具有抗电磁干扰、本质安全、体积小、易组网、测量灵敏度高等优点，非常适合电力开关设备内部复杂环境下温度测量[5]。因此本文以光纤光栅温度传感器作为温度感知探头植入开关设备中实时监测开关柜温度，研究采用相位掩模板法刻写光纤光栅温度传感器时的刻写参数对光纤光栅传感器的影响规律。

2 实验和分析

光栅刻写过程中的一些制作工艺因素会影响光栅的光谱特性参数，通过搭建基于相位掩模板法的光纤光栅制备平台，实验研究了载氢，光纤配重以及退火时间对光纤光栅光谱特性参数的影响规律。系统实验平台如图1所示：

2.1 光栅制备工艺

2.1.1 载氢

光栅的刻写是光致折射率变化的过程，普通掺锗单模光纤的光敏性较低，紫外直接光照射光纤时，折射率调制深度到10-5量级时已接近饱和，刻写相对困难。提高光纤光敏性的方法主要有：

（1）载氢。氢分子扩散到纤芯内部，当光纤受到紫外曝光时，氢分子与锗发生化学反应生成O-H键，光照部分的相位空间发生永久性改变，其折射率增加，该方法应用广泛[6]。

（2）硼锗掺杂。硼锗共掺增加光纤光敏性是使用较多的方法之一，大量元素的掺杂能够提高光纤对紫外光的吸收，导致纤芯内部折射率发生改变[7]。

（3）氢氧焰处理。F.Bilodeau等人在高压载氢的基础上，采用氢氧燃烧火焰灼烧光纤接受紫外曝光的位置来加速氢在光纤中扩散速度，温度高达1700℃，其弊端是高温可能导致光纤内部的性能破坏，光栅使用有效性存在隐患[8]。

其中，载氢是易操作，成本低且较有效的增敏技术，对任何掺锗光纤都适用。实验中在室温（20℃～25℃）环境下将G652光纤放入高压载氢罐中两周，依次调整载氢罐压力为5MPa、7MPa、10MPa、12MPa，载氢结束后，使用光栅刻写系统对光纤进行紫外曝光后检测载氢效果，测得其反射率变化规律如图2所示。

由图2可以看出，载氢压力越大，纤芯内部含氢量越高刻写时得到的光反射率越高。当载氢压力小于10MPa时，载氢两周后的反射率低于85%，不符合光栅使用时的工程实际。当大于10MPa时，载氢两周后的反射率大于工程实际需求的85%，考虑安全和成本问题，载氢时可选择在室温下（20℃～25℃）以压力10MPa放置两周。

2.1.2 预拉力

使用波长为1540.732nm的G652单模光纤，在10MPa室温下载氢14天制备载氢光纤，之后将光纤使用工具剥去约15mm的涂覆层，放在光纤调整架上，用两端的光纤夹具夹住，通过位移台调整掩模板，保证光纤需平行于掩模板，并且掩模板位于裸纤的中央位置。在相位掩模板法的光栅刻写工艺中，光纤两端的预拉力影响光栅的折射率调制，设置激光器的光源脉冲评频率为10Hz，调整光路使光斑的宽度为10mm。使光纤的一端连接光谱仪检测光栅的中心波长变化情况，其他条件不变，分别增加光纤两端的配重5～75g，每次增加5g，得到光纤两端预拉力对光栅中心波长的影响规律如图3所示：

2.1.3 退火

紫外光照射载氢光纤后，在光纤内部生成一些不稳定化学键以及残留的未参与化学反应而游离的氢分子，会影响光栅折射率调制深度，不利于光纤光栅传感器的长期使用稳定性。通过退火工艺对光栅热处理，能够较快清除光纤内的不稳定化学键以及游离的氢分子，使光纤光栅传感器处于长期稳定状态。对波长为1540.732nm的G652单模光纤照射成栅后分别在120℃、150℃、180℃、210℃、240℃下进行退火实验，退火温度和时间对光栅反射率的影响规律如表1所示：

由表1可知，温度越高，反射率稳定所需时间越短，但反射率下降越多，不利于光纤光栅的技术性能稳定。综合考虑光栅退火温度应选择150℃，所需时间8小时。

2.2 光纤性能测试

2.2.1 标定实验

选择零度中心波长为1536.723nm的光纤光栅温度传感器作为测试样品，将光纤光栅温度传感器固定在恒温装置表面，开展光纤光栅温度传感器标定实验。设置温度范围为30℃～100℃，间隔5℃，经解调仪获取波长值在上位机软件中显示，将温度与对应的波长值记录下来，并计算不同温度下的光栅波长与零度波长之间的偏移量，得到的数据如表2所示，中心波长偏移量和温度的关系如图4所示。

由表3可知30℃、60℃和90℃时标准差在0.06℃左右，120℃时标准差约为0.15℃，与此之前的温度相比，其离散程度相对较大。

通过温度梯度图、示值误差、标准差对传感器标定的结果分析可得传感器的测温结果稳定性好，精度高，满足传感器测温的要求。

结语

本文采用相位掩模板法研究光栅刻写前的载氢压力以及光栅刻写时光纤两端预拉力、退火温度和压力对光栅写制参数的影响规律，并测试刻写的光栅性能，得出如下结论：

（1）在室温（20℃～25℃）环境下，载氢压力大于等于10MPa，时间两周的光纤增敏工艺。

（2）光栅刻写时，光纤两端打的预拉力越大，刻写速度越快，且预拉力越大，当光纤恢复原状时，折射率调制周期越小，导致中心波长越小。因此刻写的波长偏小时，可以采用增加光纤两端的预拉力来实现。

（3）光栅刻写后通过退火可以较快使光纤光栅传感处于稳定状态，退火时应设置150℃，所需时间8小时。

（4）选取中心波长为1536.723nm的传感器作为测试样本，对光纤光栅传感进行温度标定并对测温结果进行误差分析。通过对实验数据进行分析，得出中心波长1536.723nm的传感器的中心波长漂移量与温度关联性较强，拟合优度R2=0.99969。测温实验中，测温点示值误差在1℃以内，标准差小于0.15℃，表明光纤光栅温度传感器测温具有较高的稳定性和精确性。

参考文献：

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作者简介：张操（1985— ），男，汉族，宁夏银川人，本科，中级工程师，宁夏京能宁东发电有限责任公司设备管理部部长助理兼电气室主任，研究方向：电气设备检修技术。

*通讯作者：彭志敏（1981— ），男，汉族，北京市人，博士，副教授，研究方向：测试计量技术及仪器。