高压配电设备光纤光栅监测技术研究

中国电建集团港航建设有限公司 丁春晖 王守清 刘智慧

高压电可在较低损耗的条件下完成电力输送，高压配电系统在运行和维护过程中，需要对异常情况进行实时监测。高压开关柜等设备异常时，温度会发生变化，可根据这一特性进行高压电设备的监测[1]。在高压电配电系统中，温度传感器可根据工作原理分为电信号和光信号两类，而后者又可分为拉曼散射和光纤光栅传感器[2]。电信号温度传感器具有反应快、精度高的优点，同时也有系统规模大和可靠性低的缺点。光信号传感器中，拉曼散射类型存在分辨率有限、反应速度慢、使用寿命短等缺点，因此其使用受到一定的制约。光纤光栅具有波长编码的能力，具有体积小、测量精度高和对环境要求不高等优点，广泛应用于电力、航天等领域。本文基于光纤光栅的良好特性，研究了高压配电设备的监测技术。

1 光纤光栅的温度传感与监测原理

根据光敏光纤的光敏特性，光纤光栅在纤区长度内，如果改变其折射率，则会改变Bragg光栅的波长，若控制得当，可利用光的波长信息，进行温度的传感与监测。

1.1 光纤光栅的温度传感机理

Bragg光栅是反射光栅，具有窄带反射滤波功能，其性能较为优异[3]。如图1所示，当光入射到Bragg光栅时，会发生反射和透射，反射光能满足光栅条件，其余为透射光。反射光的波长随着温度的增加而移动，根据Bragg条件[4]，其中心波长λB的计算公式为：

图1 Bragg光栅的工作原理

其中，Λ为光纤光栅的周期，neff是光纤的有效折射率。根据公式（1）可知，反射光的波长λB取决于neff和Λ。当应力的变化较小时，neff和Λ的数值则主要受温度的影响，因此中心波长λB可以和温度能够建立一定的联系，通过测量中心波长λB的变化就能够监测温度的变化。

根据Bragg光栅的基本特性，可以计算其反射系数R和透射系数T，计算公式如下：

其中，k是光栅的耦合系数，L是光栅的长度，δβ=β-pπ/Λ，β=2πneff/λ为摸的传输常数，p是一个表示波场阶数的整数，λ是光在自由空间传播时的波长。公式（2）至（4）中和的计算公式如下：

如果波长和光栅的反射系数匹配，即δβ=0，此时反射系数R的值最大。因此，一阶场（p=1）的反射系数的计算公式为：

将单模光纤的耦合系数代入公式（7），同时结合公式（1）的中心波长计算公式可得：

光纤光栅的中心波长λB，其数值大小主要取决于neff和Λ，影响neff和Λ的主要因素是外界的应变和温度，通过光纤封装技术，能够提高光纤对温度变化的灵敏度。若不考虑应变等因素的影响，则光纤光栅中心波长λB的变化主要取决于温度，光纤光栅中心波长λB随温度的漂移量为：

其中，ΔneT是光纤光栅仅受到温度因素影响的有效折射率，其变化主要受到热光系数的ξ影响，ΔΛT是光栅仅受到温度因素影响的周期，其变化量主要取决于热膨胀系数af。将热光系数、热膨胀系数对折射率和周期的影响代入公式（9），光纤光栅的中心波长λBfalse随温度的漂移量可表示为：

不妨设KT为光纤光栅的温度变化系数，且有KT=2neffΛ（ξ+af），则公式（10）可以表示为：

从公式（11）可知，光纤光栅的中心波长λB的大小与温度存在正比例的关系，比例系数为光纤光栅的温度变化系数，影响该系数的主要因素是光纤光栅的制作材料。对于大多数采用石英制造的光纤而言，热光系数的大小为5.5×10-7，热膨胀系数的大小为6.8×10-6，有效折射率为1.46。当光纤光栅的波长为1550nm时，其温度变化系数为10.8pm/℃。因此，对于特定材质的光纤，完成温度变化系数的测定后，可通过中心波长的漂移量直接得到温度的变化量，从而利用光纤光栅实现了温度的传感。

1.2 光纤光栅解调技术的温度监测原理

温度的变化能够改变光纤光栅的中心波长，即引起Bragg波长漂移，通过公式（11）可知，通过测定Bragg波长漂移量来获得温度的变化量，能够实现温度的自动监测。在这个过程中，解调技术是关键，需要实现高精度、低成本地检测波长漂移量，本文的采用可调F-P滤波器进行解调。

如图2所示，F-P滤波器基于多光束干涉的光学原理，由平面状的石英或者玻璃板组成F-P腔，在内表面镀上具有高反射和部分透射功能的薄膜。若平行光的波长范围固定，其通过光纤传播，入射到F-P腔后，根据光的反射与透射原理，会在两端面发生多次反射和透射。基于光的干涉理论可知，某些波长的光能够满足干涉条件，将会在F-P腔产生很大的相干干涉。不妨设入射光的光强为I0，则反射光的光强为：

图2 F-P干涉示意图

透射光强为：

其中，R为F-P腔的反射系数，φ是相邻光的相位差。

令h为F-P腔的长度，则其与相位差φ存在以下关系：

其中，Δ是两相邻光束的光程差，n是折射率，i是光入射到F-P腔的入射角，λ是光的波长。

通过公式（12）可知，反射系数R的数值越大，则反射光越强；通常情况下反射系数不等于1，因此无法避免透射光的存在。通过公式（13）可知，当φ=2kπ时，透射光的强度等于入射光的强度，此时没有反射光的存在。由公式（14）可知，相位差的数值取决于F-P腔的折射率和长度，因此可采取改变F-P腔的折射率和长度的做法来调节相位差的大小，进而调整反射光和透射光的强度。

根据公式（14）可知，在折射率n和腔长h固定的条件下，当入射光的入射角等于零或者近乎为零时，相位差φ是波长λ的函数。当入射光的波长在一定范围内时，由于多光束的干涉作用，在特定的一些波长λK附近存在极大值。在入射角等于零的条件下，λK的数值可以用下式计算：

其中，k是干涉级数。

在腔长h固定的条件下，波长在λ和λ+Δλ范围内时，波长λ、λ+Δλ分别对应K+1和K级干涉条件不能同时满足，否则无法区分这两个波长。根据公式（15），令2nh=k（λ+Δλ）=（k+1）λ，因此，在F-P腔的长度为h的条件下，可以采用下式计算光谱范围。

因此，对于固定波长的入射光而言，折射率越大，F-P腔的长度越大，会导致光谱范围Δλ越小。在光谱范围内，需要控制光波按照一定的顺序在不同的时间内通过F-P腔。由于干涉作用，通过F-P腔的波长与腔长相关，且存在一一对应的关系。F-P腔在滤波过程中，保持固定的干涉级数，通过改变腔长来获得不同波长的光。通过控制腔长和光源的峰值波长，能够确定透射光的干涉级数，所以腔长的变化范围受到光谱范围、F-P腔的长度及反射率、光源的峰值波长的共同影响。

F-P腔的滤波范围很窄，因此利用F-P滤波器对窄频带的透射光进行解调时，其波长解调精度较高。利用可调F-P滤波器，可将光源控制为窄带光源，并在该范围内，通过调节F-P的腔长进行扫描，当波长为Bragg波长时，会输出光栅反射信号，该信号通过光探测设备之后，形成电信号。通过对电信号的处理，能够达到温度监测的目的。

2 高压配电设备的温度监测系统设计

利用光纤光栅能够实现温度的传感与测量，为了正确监测高压配电设备的温度，还需设计相应的监测系统。

2.1 配电室的结构与监测对象分析

对于高压配电设施而言，配电室内的设备通常是带电的，如高压开关柜、电缆、母线等。高压开关柜由断路器和柜体构成，具有架空、电缆进出线，母线联络等功能，起到通断和保护电路的作用。柜体包括主母线室、电缆室、仪表室等。高压配电设备中容易出现异常的是断路器，因此，需要监测移动小车和开关柜的六个触头的温度，同时监控配电室和三相进线的温度。

2.2 系统方案设计

高压配电室的电缆、开关柜等设备的电压通常较高，为确保安全，要求监测设备与高压配电设备保持一定距离的同时，能够有效实现测量信号的传输。基于光纤光栅的温度监测原理，测量和传输的均是光信号，能够实现无电监测。由于检测的是光信号的中心波长，而不是光强，具有较好的稳定性，而且能够进行数字化处理。

在扫描状态下，FFP-TF将进入其光变成窄带光，当扫描波长为某个Bragg波长时，传感光栅则会输出相应的反射信号。反射信号经过光电探测和A/D转换设备后，形成处理系统能够识别和处理的数字信号。利用低通滤波器，将输入信号的高频噪声进行压制后输入系统，经过计算后，与上位机通信，根据通信结果控制FFP-TF的扫描波长。

2.3 系统设计

在光路部分，设计的主要内容是选取光源、耦合器、F-P滤波器、光纤光栅等元器件的参数。宽带光源选择中心波长1550nm的半导体光源，带宽为80nm。可调F-P滤波器选择Micron Optics生产的FFP-TF2，其每次只让一条窄带光谱通过，腔长随时间变化不复杂。光电探测器的主要功能是探测光信号并转换为电信号，采用PIN光电探测器。在电路设计部分，首先需要用运算放大器，将精度高、噪声低的微弱的电流信号转换成电压信号，然后进行低通滤波，压制高频噪声后输入系统。

串口通信采用MAX3232进行接口扩展，实现接口电平转换。软件部分包括键盘任务，其负责系统的初始化，然后进行其他任务的创建工作。显示任务主要作用是显示系统界面，温度采集任务控制连续采样的间隔时间，并保存采样结果。温度采样达到约定的次数后，启动温度数据发送任务，通过串行通信任务与上位机通信，上位机接收数据，根据给定的算法进行处理和分析，结果在显示器上显示。

3 应用效果分析

为验证监测效果，利用上述的系统和装置对实验室的温度进行监测，监测时间为当日凌晨零点至次日凌晨零点，温度采集时，时间间隔为1s。表1是监测的传感器中心波长，通过设计的光路和电路系统，能够把光信号转换为电信号，然后进行高频噪声压制和温度计算，显示测量的温度值，实现自动监测功能。第一个传感器经过24h的测量，测得的温度曲线如图3所示，在10小时、16小时测量人员进行了手动操作，温度曲线显示出了温度突变，说明整个温度监测系统是有效的，能够正确监测温度的变化。

图3 温度监测结果

表1 传感器中心波长

4 结论

基于光纤光栅温度传感与监测的基本原理，能够将监测对象的温度变化转换为光信号的主波长变化，通过光电探测和A/D转换设备能实现信号的数字化，便于记录和处理。由于温度监测过程中，测量和传输的信号是光信号，且利用的是主波长信息，而非光强度，具有高的测量精度和良好的稳定性。通过温度监测的试验证明，该系统可正确有效地监测温度。