光纖Bragg光柵溫度傳感器在硅橡膠絕緣子溫度特性研究中的應(yīng)用*

莊君剛，閆思安，劉 江，張 旭，趙振剛，李英娜，謝 濤，李 川

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明650051)

硅橡膠絕緣子具有強(qiáng)度高、重量輕，污閃電壓高，運(yùn)行維護(hù)方便和不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。安裝在輸電線路上的硅橡膠絕緣子長期經(jīng)受機(jī)電負(fù)荷、日曬雨淋、冷熱變化的影響，絕緣子表面污穢被濕潤后，形成導(dǎo)電層，泄露電流增加，泄露電流流過電介質(zhì)時(shí)引起絕緣子的局部溫升，影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，甚至?xí)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1－3]。

目前存在的絕緣子檢測方法主要有人工巡檢法、紅外熱成像法、聲波測量法、電場法和光電子探測法和光纖光柵檢測法，其中大多是非接觸型測量，這就給檢測的準(zhǔn)確性帶來了極大的問題。線路絕緣子因其安裝位置的特殊性和分布區(qū)域的廣泛性而成為絕緣子在線監(jiān)測的難點(diǎn)之一。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于硅橡膠絕緣子故障檢測的方法是紅外熱成像檢測法，它可以檢測故障絕緣子局部放電所引起的發(fā)熱，采用手持式紅外成像儀或點(diǎn)測儀進(jìn)行人工非在線的非接觸式測量，其溫度檢測在時(shí)間上不連續(xù)，不利于數(shù)據(jù)保存和分析，且容易受到環(huán)境溫度的影響[4]。自1989年首次報(bào)道將光纖Bragg光柵用作傳感以來，光纖光柵傳感器的研究受到了廣泛的重視，并取得了持續(xù)和快速的發(fā)展。光纖Bragg光柵傳感器是利用Bragg波長對溫度、應(yīng)力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。因此，具有抗干擾能力強(qiáng)、便于形成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。目前，Bragg光柵傳感器正從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用[5]。

本文利用光纖Bragg光柵溫度傳感器檢測硅橡膠絕緣子溫度特性的實(shí)驗(yàn)，將光纖Bragg光柵利用環(huán)氧樹脂粘貼于硅橡膠絕緣子的常見發(fā)熱部位，在無污染、凝露和Ⅱ級污穢等級情況下[6]進(jìn)行溫度檢測。

1 硅橡膠絕緣子溫度特性實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)工頻電壓是通過控制臺控制變壓器和感應(yīng)調(diào)壓器將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換為平滑穩(wěn)定的工頻15 kV電壓，并將感應(yīng)調(diào)壓器高電壓端和低電壓端分別連接試驗(yàn)品兩端[7]，參見圖1。

圖1 工頻電壓實(shí)驗(yàn)原理

將光纖Bragg光柵溫度傳感器用于硅橡膠絕緣子溫度特性實(shí)驗(yàn)，其光纖Bragg光柵部分利用環(huán)氧樹脂分別粘貼于硅橡膠絕緣子金屬棒上、下兩端和傘裙下表面，傳感器設(shè)置位置，參見圖2。當(dāng)硅橡膠絕緣子溫度發(fā)生變化時(shí)，該點(diǎn)處的光纖Bragg光柵中心波長隨之變化，由于光纖的熱膨脹效應(yīng)和光纖的熱光效應(yīng)，引起反射峰值波長的變化[8]，

式中neff是光纖纖芯的有效折射率[9]。

對式(1)進(jìn)行溫度T求導(dǎo)可得，

由(1)、(2)，可以得到

式(3)中，ST為傳感器的溫度系數(shù)(單位:℃－1)，ΔλΒ為波長的變化，α為光纖的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖Bragg光柵的中心波長移位與光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)，所以光纖光柵溫度傳感器Bragg波長的移位與溫度的變化成線性關(guān)系。

則溫度變化:

式中，溫度敏感系數(shù)為 ST=6．0×10－6℃－1，λB(單位:nm)為光纖Bragg光柵的中心波長，ΔλB(單位:nm)為光纖Bragg光柵的波長變化量。

圖2 光纖Bragg光柵粘貼位置示意圖

實(shí)驗(yàn)開始前，將光纖Bragg光柵溫度傳感器與被測硅橡膠絕緣子連接好，并且將連接好的硅橡膠絕緣子固定在支架上，使其懸空，硅橡膠絕緣子上端接高壓端，下端接地[10]，傳感器與光纖光柵解調(diào)儀連接，解調(diào)儀需要與被測硅橡膠絕緣子間有欄桿相隔，保持安全距離，參見圖3。

圖3 溫度特性實(shí)驗(yàn)連接實(shí)物圖

2 硅橡膠絕緣子測溫裝置溫度標(biāo)定試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用恒溫槽對絕緣子封裝的光纖Bragg光柵測量溫度裝置進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫槽，光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，溫度計(jì)，光纖Bragg光柵溫度傳感器等組成，原理圖見圖4。按照標(biāo)定溫度傳感器的相關(guān)規(guī)定，對3支傳感器(記作#1、#2、#3)分別做兩次從20℃ ～90℃的升溫試驗(yàn)，溫度每升高10℃記錄一次波長移位值。

圖4 溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

對3支傳感器進(jìn)行2次溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，根據(jù)記錄的波長，可以得到兩次實(shí)驗(yàn)波長的算術(shù)平均值，計(jì)算線性度的擬合曲線選用最小二乘法獲得，算術(shù)平均值與溫度的擬合曲線見圖5。

傳感器#1、#2、#2波長移位量的算術(shù)平均值與溫度的擬合曲線分別為:加載方程 y=0．01x+1 539．8、加載方程 y=0．010 6x+1 540．2 和加載方程y=0．010 3x+1 539．9。根據(jù)非線性誤差的計(jì)算公式可知，本文研制的3支傳感器溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的非線性誤差分別為5．7%、3．5%和2．7%。

3 硅橡膠絕緣子溫度特性實(shí)驗(yàn)

硅橡膠絕緣子常見發(fā)熱部位為絕緣子的金屬棒上、下兩端以及傘群部分，利用光纖Bragg光柵溫度傳感器對硅橡膠絕緣子金屬棒上、下兩端和破壞前后的傘裙部分進(jìn)行無污染、凝露和Ⅱ級污穢等級情況下的溫度檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工頻電壓為15 kV，時(shí)間為180 min[11]。當(dāng)電壓升至15 kV后，每30 min進(jìn)行一次記錄，記錄的數(shù)據(jù)分為破壞前后的傘裙部分和金屬棒上、下兩端三部分。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的環(huán)境溫度為5℃，相對濕度為30%[12]。

無污染情況為硅橡膠絕緣子在理想工作環(huán)境下，絕緣子表面不含任何雜質(zhì)，實(shí)驗(yàn)過程中不含任何附加條件。

圖5 傳感器#1、#2、#3擬合曲線圖

凝露情況下硅橡膠絕緣子溫度特性實(shí)驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)開始前確保絕緣子封裝表面有一層薄薄的水膜[13]，參見圖 6。

圖6 凝露情況

Ⅱ級污穢等級情況為大氣中等污染地區(qū)，包括鹽堿地區(qū)、爐煙污穢地區(qū)，且離海岸2～10 km地區(qū)，在污閃季節(jié)中潮濕多霧(含毛毛雨)但雨量較少，其鹽密為0．05～0．10 mg/cm2。因此，Ⅱ級污穢等級情況下硅橡膠絕緣子溫度特性實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)污穢使用的是40 g高嶺土與附鹽密度為0．07 mg/cm3的鹽水組混合，達(dá)到Ⅱ級污穢等級，并用軟的細(xì)毛刷把污穢均勻地涂在絕緣子表面[14]，參見圖7。

圖7 Ⅱ級污穢等級情況

為模擬硅橡膠絕緣子的自然劣化狀態(tài)，人為地破壞硅橡膠絕緣子的傘裙表面[15]，參見圖8。

圖8 破壞實(shí)物圖

根據(jù)圖3給出的實(shí)驗(yàn)原理，獲得了硅橡膠絕緣子金屬棒上、下兩端分別在無污染、凝露和Ⅱ級污穢等級情況下的溫升曲線，參見圖9。

圖9 金屬棒上、下端溫升曲線

圖9表明，加壓以后，金屬棒上端在無污染、凝露和Ⅱ級污穢等級情況下的溫度由5．0℃分別上升至6．8℃、7．3 ℃和8．5 ℃;相同情況下，金屬棒下端的溫度由 5．0℃分別上升至 7．1℃、7．7℃和9．1℃。在三種情況下，硅橡膠絕緣子金屬棒下端溫升比上端溫升分別高0．3℃、0．4℃和0．6℃。這是因?yàn)榻饘侔羯隙吮砻娣e比下端表面積大，散熱更加明顯;并且下端接高壓端，上端接地，電場下端(高壓端)比上端(接地端)分布更加密集，宏觀電場強(qiáng)度與電介質(zhì)的極化程度成正比[16]，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)了極化效應(yīng)所帶來的影響。

根據(jù)圖3給出的實(shí)驗(yàn)原理，獲得了破壞前后硅橡膠絕緣子傘群部分在無污染、凝露和Ⅱ級污穢等情況下的溫升曲線，參見圖10。

圖10 破壞前后的傘群溫升曲線

圖10表明，破壞前的硅橡膠絕緣子傘群部分在無污染、凝露和Ⅱ級污穢等級情況下的溫度由5．0 ℃分別上升至5．5 ℃、5．7 ℃和5．9 ℃;而破壞后的硅橡膠絕緣子傘群在無污染、凝露和Ⅱ級污穢等級情況下的溫度由5．0℃分別上升至9．9℃、10．5℃和12．1℃。這是因?yàn)橥暾墓柘鹉z絕緣子工作狀態(tài)穩(wěn)定，幾乎沒有泄露電流，所以溫升不大;而破壞后的硅橡膠絕緣子表面易積垢，由此形成導(dǎo)電層，導(dǎo)致泄露電流增加，泄露電流流過電介質(zhì)時(shí)引起絕緣子的溫升加劇。

4 結(jié)論

利用光纖Bragg光柵溫度傳感器檢測硅橡膠絕緣子的溫度特性。在無污染、凝露和Ⅱ級污穢等級情況下，對硅橡膠絕緣子的常見發(fā)熱部位:金屬棒上、下兩端和破壞前后的硅橡膠絕緣子傘群部分，分別進(jìn)行了溫度檢測。溫度特性實(shí)驗(yàn)表明:破壞后的硅橡膠絕緣子傘群部分溫升比破壞前的硅橡膠絕緣子傘群部分溫升最大，溫度由5．0℃分別上升至9．9℃、10．5℃和12．1℃;而金屬棒下端溫度高于上端溫度，硅橡膠絕緣子金屬棒下端溫升比上端溫升分別高0．3℃、0．4℃和0．6℃。本文提供了一種光纖Bragg光柵溫度傳感器對硅橡膠檢測的方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同環(huán)境下硅橡膠絕緣子及其各部位的溫度的變化情況，可有效的檢測硅橡膠絕緣子的工作溫度，反映硅橡膠絕緣子的工作狀態(tài)。因此，光纖Bragg光柵溫度傳感器可用于對硅橡膠絕緣子溫度的檢測，對硅橡膠絕緣子溫度的測量具有普遍的通用性。

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