光纖光柵傳感器在高壓開關柜溫度監測中的應用

祁欣+王金帥+王愷笛

摘 要：鑒于高壓開關柜高電壓、強磁場的工作環境，本文提出了采用光纖光柵傳感器監測開關觸頭溫度的方案，并給出了溫度監測系統的整體結構以及各部分的功能。針對裸光柵溫度靈敏度系數低且易受交叉應力影響的問題，在光柵傳感原理的基礎上，設計了一種增敏型封裝保護的光纖光柵溫度傳感器。經研究分析，增敏封裝之后的傳感器較裸光柵傳感器，其溫度靈敏系數提高了近7倍，并且將外界應力的影響降到了最低，具有一定的工程實際意義。

關鍵詞：高壓開關柜；光纖光柵；溫度監測；增敏封裝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.241

0 前言

隨著我國電網容量的不斷增大，電壓等級不斷升高，保證電網供電可靠性顯得越來越重要。高壓開關柜作為電力系統中開合電力線路、倒換輸送電力負荷、退出設備故障的關鍵裝置，其工作可靠性與開關觸頭的工作狀態密切相關[1]。高壓開關柜長期在高電壓、大電流狀態下運行時，其內部的開關觸頭常會因老化、松動和接觸電阻過大而引起局部發熱嚴重[2]，如若發現不及時，往往容易導致火災，造成大面積停電事故。因此，對全封閉的高壓開關柜進行實時溫度監測，并實現預報警，排除隱患是避免重大電力事故發生的有效措施，對保證供電的安全可靠性具有重要意義。同時，高壓開關觸頭溫度在線監測也是電力工業安全運行的重大課題之一。

由于開關柜內的開關觸頭是處在高電壓、強磁場的環境當中，所以傳統的測溫方法如熱電阻測溫、熱電偶測溫、紅外線測溫[3，7]無法滿足實際的監測要求。目前，對于溫度監測的研究主要是圍繞著如何實現高壓隔離以及抗磁干擾進行展開。本文采用的光纖光柵傳感器作為集傳輸與測量于一體的新型傳感器克服了強電磁環境的干擾，且其體積小、重量輕、傳輸損耗小，在高壓開關柜溫度監測方面具有其他傳統傳感器無法比擬的優勢。

1 光纖光柵傳感器測溫原理

光纖光柵是利用一定的寫入技術將具有周期性折射率的芯內體光柵寫入裸光柵中。其傳感原理是通過外界參量（溫度、應變）對光纖光柵波長的調制以獲取信息[4]。

2 光纖光柵測溫系統構成

光纖光柵測溫傳感系統主要包括：傳感光柵陣列、3dB光纖耦合器、可調節濾波器、激光寬帶光源、信號處理模塊（光電轉換、放大處理）、通訊模塊、計算機終端。系統構成如圖1所示。

SLD光源發出的寬帶光經光纖耦合器進入到傳感光柵陣列，符合反射波長的光反射帶回具有溫度信息的光，而后進入到可調F-P腔濾波器，只有滿足相干條件的特定波長才能發生干涉，產生相干極大[5]。在可控鋸齒波電壓的作用下，濾波器導通波長與反射波長相等的光被光探測器探測到，然后光電轉換模塊將光信號轉換為電信號經過信號處理、功率放大、AD轉換進入到DSP（數字處理）進行處理，得到相應的溫度數據。通訊模塊接收來自計算機終端的指令，通過RS485與計算機連接，將溫度數據上傳。

3 系統中的關鍵問題----傳感器封裝

在高壓開關柜中，斷路器的開關動作會造成一定的震動，而裸光柵的主要成分是SiO2[6]，質地非常脆弱，容易因震動發生斷裂，所以有必要對其進行封裝保護，以滿足實際的工程需求。此外，除對溫度參量敏感之外，光纖光柵對外界應變也會敏感[7]。現忽略溫度參量對光柵波長變化的影響，只考慮應變對波長變化帶來的影響，因此必須對光纖光柵采取有效的應力補償措施以消除應變對測量結果的干擾。

據國內外學者分析可知，裸光柵可直接用于對溫度的測量，但其溫度靈敏度不高，僅為0.01nm/℃左右，不能滿足當前我國開關柜測溫系統的工程需求。所以，必須采取一定的措施對光纖光柵進行溫度增敏。

綜合以上分析，為滿足實際的工程需求，對光纖光柵溫度傳感器進行物理保護、應力補償、溫度增敏最有效的措施就是對光纖光柵進行封裝。

3.1 物理結構

工程上，常見的封裝方式有貼片封裝、管式封裝、盒式封裝[8]。鑒于高壓開關柜特殊的工作環境以及基本的封裝要求（重復性、穩定性、線性度）[9]，本文設計了如下方案對光纖光柵進行封裝。

石英管的機械長度，光柵長度，金屬套管的機械長度。此外，在封裝過程中對光纖光柵施加一定的預張力，以減小因封裝而產生的波長飄移。封裝完成后將光纖光柵傳感器進行熱退火處理，以消除環氧樹脂固化過程中形成的內部殘余應力[10]。

3.2 工作機理

將封裝處理好的傳感器放于高壓開關柜靜觸頭處，隨著觸頭溫度升高，金屬套管受熱膨脹向兩側延伸，其左端拉動石英管左端，右端拉動石英管右端，左右雙向帶動光纖光柵使光柵伸長。經封裝后的傳感器其溫度靈敏度較裸光柵提升了近7倍。

4 結論

本文提出了應用光纖光柵溫度傳感器組建高壓開關柜觸頭溫度監測系統的方案，并解決了系統中的關鍵問題之一——增敏封裝問題。通過研究分析可知，經封裝后的傳感器在抗震能力、免應力干擾、靈敏度等方面優于裸光柵傳感器，并將靈敏度系數提升了近7倍，解決了測溫系統中靈敏度不足的問題，滿足了實際的工程需要。

參考文獻：

[1]李強，王艷松，劉學民.光纖溫度傳感器在電力系統中的應用現狀綜述[J].2010，38（01）：135-140.

[2]李建濤，許傲然，張柳等.66kV變電所電壓互感器自投裝置的設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2015（02）：152-154.

[3]高陽，鐘宏宇，許傲然等.盤錦市“高新區”開展大用戶直購電的可行性探究[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2015（02）：138-140+162.

[4]鞏憲鋒，衣紅鋼，王長松等.高壓開關柜隔離觸頭溫度監測研究[J]. 中國電機工程學報，2006，26（01）：155-158.

[5]吳曉文，舒乃秋，李洪濤等.基于光纖光柵的氣體絕緣開關母線溫度在線監測系統[J].電力自動化設備，2013，33（04）：155-160.

作者簡介：祁欣（1982-），工程師，研究方向：火力發電廠設備自動化。