分布式光纖光柵傳感器在干式空心電抗器的應用

張潔，譚向宇，王科，崔志剛，馬儀，伍陽陽，徐鵬

(1.華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650217；2.華北電力大學，河北 保定 071003；3.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；4.昆明理工大學，昆明 650500)

分布式光纖光柵傳感器在干式空心電抗器的應用

張潔1，2，譚向宇1，3，王科3，崔志剛3，馬儀3，伍陽陽1，2，徐鵬1，4

(1.華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650217；2.華北電力大學，河北 保定 071003；3.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；4.昆明理工大學，昆明 650500)

介紹了一種分布式光纖Bragg光柵傳感器 (fiber bragg grating，FBG)系統，通過在電抗器各包封層內多點預埋溫度和應變傳感器來測量包封層內的溫度和經溫度補償后的應變拉力。經干式空心電抗器固化溫升實驗過程中的在線監測，其結果證明了該系統可準確測得干式電抗器包封層內的溫度和應變拉力的變化趨勢，將為變電站內干式空心電抗器實時監測提供重要的理論依據。

光纖Bragg光柵；干式空心電抗器；溫度；應變；在線監測

0 前言

干式空心電抗器具有低損耗、低噪音、電抗值線性度好、設計壽命長、維護簡單等優點，在電力系統中應用越來越廣泛。該設備在系統中主要起限制合閘涌流、限制短路電流、補償雜散容性電流、濾波等作用。干式電抗器屬于免維修類設備，而其受監測方法較少，主要有采用紅外成像儀對干式電抗器定期跟蹤測溫、在干式電抗器下方安裝溫度在線監測儀、將溫度傳感器直接貼于干式電抗器包封壁上等方法[1-2]，但是存在著有效監測面較窄、監測過程不連續、測量精度不高、需外接工作電源等缺點，其實際應用效果較不理想，不能及時發現電抗器發熱點，從而電抗器燒毀現象時有發生。近年來，云南電網公司系統內連續發生了多起35 kV干式電抗器燒損事故，給電網安全穩定運行帶來了不同程度的威脅[3-5]。經調查研究，干式電抗器燒毀主要是由于長時間運行過程中溫度驟變熱脹冷縮作用下包封層繞組內部導線絕緣劣化，從而發生匝間短路所致。

基于光纖Bragg光柵傳感器可提供了一種波長編碼的絕對檢測，且絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、耐高溫高壓、無源檢測、結構簡單、尺寸小、易貼附等優點[6]，本文研制了一種同時測得溫度和應變的分布式光纖Bragg光柵傳感器系統，利用光纖Bragg光柵中心波長移位對溫度和形變的響應，對干式電抗器包封層內部溫度和形變進行在線監測，很好的解決了干式電抗器包封層內部溫度和應變測量的難題，提供了一種間接監測繞組導線匝間絕緣程度的技術手段。

1 傳感器系統的原理、結構及標定

1.1 FBG的溫度和應變響應原理

當寬帶光在FBG中傳輸時，其反射光波長應符合Bragg定理：

式中，表示光柵周期；neff表示光纖有效折射率。根據光纖Bragg光柵其Bragg波長移位與溫度變化成線性關系，即：

式中，αΛ，αn為光纖的熱光系數，ST為光纖Bragg光柵的溫度敏感系數。

根據如上原理，本文設計的分布式傳感器的光纖Bragg光柵溫度傳感器將由光纖光柵、陶瓷套管和聚四氟乙烯組裝而成的，傳感器一端的光纖放置在聚四氟乙烯套管中，并采用環氧樹脂封裝在陶瓷套管內，而光纖另一端引出部分與耦合器或解調儀相連。其中，測溫光柵一端與光纖相連固定在陶瓷套管上，而另一端自由懸空以保證該傳感器僅受溫度影響，參見圖1。

圖1 光纖Bragg光柵溫度傳感器結構

由于光纖光柵對溫度靈敏，因此，光纖Bragg光柵傳感應變力時，將產生溫度效應與應變效應的交叉敏感問題[7]。1989年 Morey報告[8]，當FBG同時受軸向應變和變化的溫度作用時，FBG的Bragg波長位移可表示為：

式中，SE，Δε表示光柵的應變效應，SE為應變敏感系數，STΔT表示外界溫度變化對光柵的影響，ST為溫度敏感系數。因此FBG應變傳感器測應純應變拉力時，可采用溫度補償方法。本文設計的分布式傳感器的光纖Bragg光柵應變傳感器如圖2所示。

圖2 光纖Bragg光柵應變傳感器結構

文中將采用同時布置光纖Bragg光柵溫度傳感器和應變傳感器，該處布置的溫度傳感器測得的溫度將主要作為對應變傳感器的溫度補償，因此僅由應變拉力引起的Bragg波長移動量Δλg可通過實測應變傳感器的到得波長位移ΔλB減去只有溫度變化引起的應變傳感器波長位移ΔλBT得到，即

針對實際實驗中布設的FBG溫度傳感器和應變傳感器其參數不同的情況，需將溫度傳感器得到的波長位移轉化為應變傳感器僅由溫度引起的波長位移，從而得到所測試品濾除溫度效應以后的應變力公式，即：

式中：ST、SE分別表示光纖Bragg光柵應變傳感器的溫度系數和應變敏感系數，為FBG應變傳感器測得的波長，λ0其初始中心波長；(ST)T表示同時布置的光纖Bragg光柵溫度傳感器的溫度系數，λ?為其經溫度影響后測得的波長值，λ?0為相應的初始中心波長。

1.2 分布式FBG傳感器系統的結構設計

針對需同時監測干式空心電抗器包封層內部不同空間點的溫度和應力的要求，以便及時了解干抗的匝間絕緣情況，本文設計了基于波分復用的分布式FBG傳感器以及相應的檢測系統，實現了多光線傳感器的復用以及數據融合，滿足了應變和溫度的不同測量要求，大大降低了整個系統的成本，減少了連接光纖的數量，更適用于復雜條件的檢測。實驗中在干式電抗器內部不同位置植入不同數量和種類的光纖光柵傳感器，通過耦合器將分布在電抗器內各傳感器的光信號耦合，并經光纖多路傳輸和調制連接到終端解調儀中，終端PC機將解調儀處理過的數據按照相應的傳感器模型處理方案得到所需的溫度和應力，如圖3所示。

圖3 分布式FBG傳感器系統的結構

1.3 實驗用分布式FBG傳感器標定

考慮到光纖材料的不同，寫入光柵工藝的差異，均會對光纖光柵的靈敏度造成影響，因此，FBG傳感器需要經過標定試驗后才能精確測溫和測應力。實驗首先應對將在容量為20 000 KVar/ 35 kV干式空心并聯電抗器試品裝設的FBG溫度傳感器T12，T19，T21進行溫度標定。標定實驗系統由恒溫槽，光纖光柵傳感網絡分析儀，二級水銀溫度計、FBG溫度傳感器等設備組成，具體實驗測試如圖4所示。按照標定溫度傳感器的相關規定，對以上3支傳感器分別做兩次從20℃ ～90℃的升溫試驗，溫度每升高10℃ 記錄一次波長移位值。根據2次溫度標定實驗記錄的波長，可以得到兩次實驗波長的算術平均值，計算線性度的擬合曲線選用最小二乘法獲得，圖5示出T12，T19，T21算術平均值與溫度的擬合曲線，相關數據見表1。

圖4 溫度標定實驗測試圖

圖5 FBG溫度傳感器T12，T19，T21擬合曲線圖

表1 FBG溫度傳感器T12，T19，T21相關數據

應變傳感器S1、S12的標定應包括純溫度實驗和純應變實驗，以得到公式 (6)(7)中的參數ST、SE。

應變傳感器的純溫度實驗標定過程與前述溫度標定實驗過程相同。其純應變實驗，在常溫下進行，采用直拉式方法，通過逐級加載砝碼對FBG應變傳感器進行應變分析。在實驗正式開始之前，必須進行若干次載荷重復加卸循環的預載試驗，之后彈性元件的變形關系才趨于穩定。具體裝置如圖6所示。根據1應變對應4.04 N，可得出常溫下FBG應變傳感器波長位移同應變的線性關系。應變傳感器S1、S12溫度特性測試與應變拉力測試結果如表2所示，擬合曲線如圖7所示。

圖6 純應變標定實驗測試圖

圖7 FBG應變傳感器S1、S12的相關擬合曲線圖

表2 應變傳感器的相關數據

2 傳感器在干式空心電抗器中的實驗

文中采用該分布式FBG傳感器系統檢測干式空心電抗器在固化溫升過程中其包封層內部溫度和應變拉力的變化趨勢，使用容量為20 000 kar/ 35 kV干式空心并聯電抗器作為試品，并對光纖Bragg光柵溫度傳感器和應變傳感器的布點位置做了相應的設計。

在對干式空心并聯電抗器做預埋及固化溫升實驗的過程中，將分布式FBG傳感器系統中測溫部分和應變部分均埋設在如圖8所示第五層包封的玻璃絲帶外層 (共11層包封)，且測應力部分將采用2支應變傳感器S1、S12與1支溫度傳感器T21布設在一起。其余測溫部分的溫度傳感器T12，T19將與側應力部分沿周向間距120°均勻埋設，具體埋設如圖8所示。

干燥室固化溫升過程中，在線監測預埋在干式電抗器第五包封層的分布式FBG傳感器所得的結果如圖9，10所示。

從圖9可知，分布式光纖Bragg光柵傳感器系統中的三支溫度傳感器T12，T19，T21測得的溫度變化趨勢與爐溫監測系統的溫度基本是相同的，測溫結果很合理。同時T12，T19，T21測得的溫度基本相同，而三只傳感器測得的溫度之間微弱的差異也說明了干式電抗器包封內繞組不同位置處受外界溫度影響的程度是不同的，也從側面說明了不同位置的匝間絕緣受外界影響也是不同的。

圖8 干式空心并聯電抗器中分布式FBG傳感器的預埋情況

圖10示出了徑向布設的S1和軸向布設的S12經溫度補償后的應變值，以及該應變值與作為溫度補償的T21測得的包封層內該點溫度變化的關系。從該圖可知，溫度變化造成的應變拉力與干式電抗器對光柵的純應變拉力是反向的，同時品字形布置傳感器處測得的溫度與純應力的變化趨勢是相同的，該點符合實際情況。從測得數據可知，電抗器包封層內溫度的變化會導致純應變拉力與溫度變化造成的應變拉力有較大的變化，經計算最高可達3 109，將對干式電抗器的絕緣很不利。

圖9 FBG溫度傳感器T12，T19，T21與爐溫監測系統之間的溫度變化關系

圖10 溫度補償后S1、S12測得的應變拉力間的關系

3 結束語

針對需同時監測干式空心電抗器包封層內不同空間點的溫度和應變拉力，以便及時了解干抗匝間絕緣的需求，本文設計了基于波分復用的分布式光纖Bragg光柵傳感器系統，提出了一種應變和溫度測試電抗器預埋式絕緣性能監測技術。在干式空心電抗器生產流程中最關鍵的固化溫升環節中，通過在線監測已預埋的分布式FBG傳感器測得的溫度和應變拉力，證明了溫度的變化對匝間絕緣有較大的影響。實驗結果證明了該系統可以較為準確的測得干抗包封層內不同點溫度和形變，為避免故障發生以及尋找故障點提供了很好的依據。

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Application of Distributed Fiber Bragg Grating Sensor System in Dry-type Air-core Reactor

ZHANG Jie1，2，TAN Xiangyu1，3，WANG Ke3，CUI Zhigang3，MA Yi3，WU Yangyang1，2，XU Peng1，4
(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University and Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；3.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；4.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

During the long-term operation of dry-type air-core reactor，the environment which shows high temperature，high pressure and strong magnetic field environment，seriously affected the winding inter turn insulation，threatening the safe and normal operation of it.The distributed fiber bragg grating sensor system can measure the temperature and temperature-compensated strain tension within the encapsulated layer，through multi point embedded temperature and strain sensors.Proved by the curing temperature experiment，the system can accurately measure the change trend of the temperature and strain within encapsulated layer，which will provide the important theory basis for real-time monitoring of substation dry-type air-core reactor.

fiber bragg grating(FBG)；dry-type air-core reactor；temperature；strain；online monitoring

TM45

B

1006-7345(2015)03-0020-05

2014-10-19

張潔 (1989)，女，碩士，華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，從事電力系統運行、分析與控制研究工作，(E-mail)43657016＠qq.com。譚向宇 (1981)，男，博士后，云南電網有限責任公司與西安交通大學聯合培養博士后工作站，從事高電壓與絕緣技術方面研究工作， (E-mail)89579253＠qq.com。

王科 (1982)，男，碩士，云南電力試驗研究院 (集團)有限公司電力研究院，從事特高壓污穢絕緣子試驗、絕緣子帶電考核在線監測等研究工作，(E-mail)wangke＠csg.cn。