絕緣子保護的FBG溫度傳感器研究*

李英娜，徐樹振，田 雷，李 川，張 旭，趙振剛

（昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明 650500）

0 引言

自然污穢條件下暴露的輸變電設備表面容易沉積污穢，加之受到雨、雪等惡劣天氣的影響，容易造成電力系統的污閃事故。隨著經濟的快速發展，電網規模逐步擴大，實現對電氣設備的安全和準確檢測，成為電網輸電線路安全亟待解決的問題之一。目前廣泛應用于電力系統檢測的方法是紅外熱成像檢測法［1，2］，它根據分布電壓在電氣設備上的熱場分布，通過成像處理來檢測絕緣子。紅外成像儀可在遠距離且不受高壓電磁場干擾的情況下對目標進行測量，空間分辨率和溫度分辨率都較過去有了很大的提高。

電氣設備絕緣表面一旦發生劣化會伴隨擊穿、放電等現象，這些現象必然會造成絕緣表面和周圍空氣溫度的變化，本文提出并研制了一種具有絕緣子保護的光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器［3］用于檢測電網輸變電線路中電氣設備的溫度。

1 絕緣子保護的FBG溫度傳感器的結構與工作原理

根據電力系統中電氣設備的絕緣要求［4］，結合FBG溫度傳感器的特征，設計了具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器。該傳感器的傳感結構為:光纖的外表面包覆設置單片或者多片硅橡膠材料的光纖絕緣子，光纖的一端熔接FBG傳感裝置，另一端熔接光纖連接頭，整個傳感器采用室溫硫化硅橡膠材料一體成型結構加工而成［5］。絕緣子片數由被測系統的電壓等級所決定。輸電線路中，絕緣子的絕緣水平由其種類、形狀、結構尺寸和串長決定［6］。當絕緣子種類、形狀和結構尺寸確定時，每串絕緣子的片數為

式中m為絕緣子的片數;λ為絕緣子的爬電比距;Um為系統最高運行線電壓或者系統的額定線電壓;Ke為絕緣子爬電距離的有效系數;L0為每片懸式絕緣子的幾何爬電距離。具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器結構，見圖1。

圖1 絕緣子保護的FBG溫度傳感器結構示意圖Fig 1 Schematic diagram of FBG temperature sensor protected by insulators

電力系統中準確、安全地檢測出關鍵設備的過熱點是確保安全供電的必要前提。戶外電力系統中，輸變電設備上安裝的測溫元件在自然污穢或是潮濕環境條件下的抗電壓能力隨之降低，發生閃絡擊穿的機率變大，容易造成電氣事故。光纖可在高壓等極端環境中保持良好的工作特性，但光纖本身較脆弱，在此采用絕緣子保護光纖。絕緣子良好的絕緣和耐高壓特性，使得傳感器可以檢測電力系統中高電壓環境下電氣設備的溫度。

對研制的具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器進行15 kV工頻交流耐高壓測試，傳感器頂端即熔接FBG傳感裝置的一端加高電壓，其尾部即連接光纖連接頭的一端接地，傳感器實物連接圖，見圖2。分別在無污染環境，并模擬凝露和污染環境對傳感器進行測試。

圖2 傳感器實物連接圖Fig 2 Connection figure of physical sensor

15 kV的工頻交流耐高壓測試結果表明:具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器中的絕緣子封裝在純凈、凝露以及污穢的試驗條件下，均無擊穿響聲（或斷續放電聲）、冒煙、出氣、焦臭、閃絡、燃燒等現象。驗證具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器可以工作在高電壓環境中。

具有絕緣子保護的FBG溫度傳感原理:由于光纖的熱膨脹效應和光纖熱光效應，外界溫度變化會引起FBG反射波長的改變［7］。

FBG方程式可表示為

式中 λB為FBG的中心波長（nm），neff為光纖的有效折射率，Λ為Bragg光柵的柵距（μm）。

FBG只受溫度影響時，傳感器的FBG波長可視為外部溫度（T）的函數，波長移位可表示為相對于光柵初始狀態（T0）的變化

通過泰勒級數展開并取一級近似，則FBG中心波長的移位與溫度的關系為

式中 ΔλB為溫度相對于初始狀態的變量，（nm），?λB/?T為對T的偏導數，引入應變量Δε=ΔΛ/Λ，代入式（5）得如下表達式

式（7）可寫成

式中ST=αΛ+αn為FBG的溫度敏感系數，℃－1。當溫度發生變化時，FBG的中心波長移位與光纖的熱膨脹系數和熱光系數有關。

2 絕緣子保護的FBG溫度傳感器的性能測試

試驗中，利用恒溫槽加熱并用二級精度的水銀溫度計作為測量標準。恒溫槽工作溫度范圍是－10～90℃，溫度波動度為±0．01℃/30 min，當恒溫槽中溫度接近設定溫度時，溫控系統根據感溫器測得的溫度來控制混合區內的加熱器工作，熱量經攪拌系統攪拌均勻后的介質送入極少受外界干擾的工作區，從而制造了一個恒溫的環境;此時，將待測試的傳感器和精度為0．01℃的溫度計放置到恒溫槽的介質中，傳感器的輸出信號可通過光譜分析儀解調出反射中心波長，同時通過望遠鏡讀取水銀溫度計的指示值［8］。待測試的傳感器對不同的溫度輸出與之對應的波長，將讀取的溫度和波長進行比較，得到表征兩者對應關系的曲線，進而得到傳感器性能指標的測試結果。測試系統見圖3。

對傳感器做20次從20～90℃的升溫試驗。過程中必須要注意，待恒溫槽內的介質處于設定溫度值時，通過望遠鏡讀取溫度計的溫度。

圖3 測試系統示意圖Fig 3 Schematic diagram of test system

利用最小二乘法［9］，可得FBG波長移位量與溫度的擬合曲線，見圖4。

圖4 FBG波長與溫度的關系曲線Fig 4 Curve of relation between FBG wave length and temperature

傳感器的靈敏度［10］是在其靜態工作條件下，單位輸入所產生的輸出，可以表示為

圖4中，擬合曲線的斜率表明傳感器的溫度靈敏度系數為10．2 pm/℃，線性度［11］是指測量的實際曲線與擬合曲線的最大差值與量程的比值，可以表示為

根據線性度的計算公式，可得到該傳感器的線性度為0．70%FS。

3 結論

研制了一種具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器，選擇硅橡膠憎水性材料和一體成型的結構完成傳感器的加工制作。光纖由絕緣子保護，使得傳感器可以安全工作在高電壓環境中。對具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器進行性能測試試驗，通過對試驗數據分析和計算得到該傳感器的溫度靈敏度系數為10．2 pm/℃，線性度為0．70%FS。

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