準分布式光纖傳感輸電線路安全監測技術

張歆，王延祥，王瑞琪，唐杰杰，范德勝，陳少達，陸飛飛

(國網江蘇徐州供電公司，江蘇 徐州 221005)

0 引言

人類的日常生活和工農業生產都與電力系統息息相關。電力的輸送主要依靠架空輸電線路或地下電纜。當輸電線路中流過一定的負載電流時會產生發熱現象，隨著負載電流的增大輸電線路的溫度也愈來愈高，一旦溫度過高會導致短路、火災甚至是爆炸等嚴重的安全事故。通常，輸電線纜表面溫度不超過60℃基本是安全的。為了實現電力系統的安全運營，必須對輸電線纜的溫度進行實施精確的監測。

目前，高壓輸電線路安全監測主要依靠人工巡檢和布設電信號傳感器的方式進行。人工巡檢的方式代價高、效率低而且不能實時監測，電學傳感器一般采用有源電信號傳感器結合無線網絡傳輸數據。然而電學傳感器易受電磁場干擾，還存在布線復雜、安裝維護困難、絕緣性差等問題[1-2]。光纖傳感是一種光學傳感測量技術，體積小、質量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、易組網等優點使其在電力系統安全監測中具有良好的應用前景。近年來，國內外的研究者們報道了多種光纖傳感技術在電力領域中的應用，包括電纜測溫、電力設備測溫、線路覆冰監測、微風振動和電力系統的氣體監測等[3-7]。

雖然光纖傳感器應用于電力系統安全監測有諸多優勢，但光纖本質上是一種導光玻璃纖維，其機械強度較低，在實際使用時通常需要通過金屬封裝結構對光纖進行保護，才能使傳感器適應各種工況[8-10]。對于光纖光柵溫度傳感器來說，感測溫度信息的柵區如果不加以保護或封裝，則光柵極易受到外界應力作用從而發生斷裂，如果加了保護層或封裝結構就會導致熱傳導特性的改變，影響其響應速度和靈敏度。因此，本文設計了一種基于抗彎拉光纖光柵溫度傳感器陣列和波分復用(WDM)技術的準分布式輸電線路安全監測系統，實現單系統320個測點的同時監測，可用于輸電線路溫度的長距離實時在線監測，能夠滿足電力系統安全運行監測的需求。

1 傳感器設計

1.1 溫度傳感器原理

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)是通過改變光纖纖芯的折射率使其產生周期性變化而形成的光柵。當寬帶光源入射到FBG中時，滿足布拉格條件的光被FBG反射回來，反射光的中心波長稱為布拉格波長，滿足下式：

λB=2neffΛ

(1)

式中：Λ為光柵周期；neff為光柵的有效折射率。環境溫度和應變都會導致FBG有效折射率和光柵周期的變化，從而引起中心波長的漂移，即FBG對溫度變化和應變同時敏感。布拉格波長的變化可以表示為

(2)

式中：T為溫度；ε為應變。

當FBG僅受溫度影響時，熱光效應和熱膨脹效應會分別使有效折射率和光柵周期發生改變，變化關系可以表示為

(3)

(4)

式(4)即FBG中心波長變化與溫度變化之間的關系，這也是FBG用于溫度傳感的基本原理。FBG對溫度的傳感特性系數是一個與材料相關的常數，使得FBG對溫度信息有較好的線性響應。當環境溫度發生變化時，只需根據光柵中心波長的變化量即可得到環境溫度信息。需要注意的是，FBG用作溫度傳感器時需保證FBG不受應力應變的影響。

1.2 傳感器陣列及解調系統設計

在基于多光纖光柵串聯方案的準分布式光纖傳感系統中，需要在單根光纖上串聯多個FBG傳感器。光纖傳感系統一般采用的復用技術包括波分復用、時分復用、空分復用等。由于光纖光柵傳感系統以傳感器反射中心波長的漂移量為接收信號，所以主要采用波分復用技術。波分復用是根據光源光譜帶寬，對不同的光纖布拉格光柵傳感器進行光譜編碼。發送端將多個波長的光耦合到傳感光纖中，傳感光纖上布設具有不同中心波長的FBG，接收端將不同波長的光信號分離解調。通過檢測和分析各個傳感器中心波長的漂移情況，可知不同傳感器測量區域的溫度變化情況。

根據FBG的溫度傳感特性，中心波長為1550nm的石英光纖光柵的溫度靈敏度約為11.2pm/℃，其有效測溫范圍通常在-40℃～200℃。而對于電網輸電線纜而言，當線纜外皮溫度不超過60℃基本是安全的，超過70℃則可認為有危險。因此，對于掛載于輸電線纜上的光纖溫度傳感器而言，多FBG串聯的布設方式只需使相鄰的兩個FBG中心波長相差5nm，即可確保溫度變化導致的中心波長漂移不會互相影響。這樣，在一個通道上就可串聯10個FBG傳感器，使用32通道解調系統，可實現320個測點的準分布式溫度監測系統，如圖1所示。

圖1 FBG傳感器陣列示意圖

由于普通FBG傳感器較為脆弱，在安裝施工時極易因操作不當或其他意外因素導致傳感器斷裂失效，而在電網的長期掛網使用過程中，也易因線纜震動或擺動導致受應力過大被拉斷。因此，抗彎拉性能對于光纖光柵傳感器的工程施工影響很大，對傳感器安裝后的長期正常使用也具有較大影響。本文使用的光纖光柵為抗彎拉光纖光柵，可以有效地改善普通FBG傳感器的機械強度。

光纖光柵傳感器陣列通過光開關接入解調系統，解調模塊采用全息體相位光柵探測陣列技術。如圖2所示，輸入光信號經過準直透鏡后被全息體相位光柵分光，再經聚焦透鏡聚焦到光電探測器上，探測器輸出的電信號經處理電路處理后輸出至上位機。整個解調系統采用陣列式探測，無機械活動部件，抗震動性能好，體積小巧，測量精度高。

圖2 解調系統示意圖

2 實驗結果與分析

經過前期的理論分析，傳感器陣列的每一個通道都分別選用了中心波長為1 525nm、1 530nm、1 535nm、1 540nm、1 545nm、1 550nm、1 555nm、1 560nm、1 565nm、1 570nm的抗彎拉FBG，共32通道320個FBG傳感器。每個通道上的10個傳感器串聯，并通過光纖跳線連接至解調系統各個通道上。

傳感器的安裝過程如下：1)用砂紙打磨的方式將線纜表面頑固污漬部分去除，再用酒精試劑將線纜表面油污和灰塵等去除干凈；2)使用夾具或膠帶將FBG固定在粘貼區，使其保持自然伸直狀態，避免FBG受到應力影響；3)用毛刷將丙烯酸酯膠黏劑均勻涂抹在FBG柵區兩端外側的單模光纖上，覆蓋光纖后用膠帶固定，保持24h的固化時間。這種兩端點粘的方式可以有效避免傳感器受到應力應變的干擾。

首先在實驗室內對一段長約10km的線纜進行測試，實驗環境的相對濕度為35%，室溫為30℃。使用恒溫加熱臺對部分傳感器布設區域進行局部加熱，并且使用多通道熱電偶作為溫度標準計。由于傳感器數量太多，本文選擇通道1中的FBG1-FBG10作為展示對象，其初始狀態分別為1 525.073nm、1 530.189nm、1 534.979nm、1 540.133nm、1 544.995nm、1 550.045nm、1 555.102nm、1 559.904nm、1 565.000nm、1 569.932nm。將恒溫加熱臺的溫度分別設定為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，每次設定溫度后等待10min使加熱臺溫度達到恒定，然后記錄數據，得到傳感器在30℃～100℃范圍內間隔10℃的響應結果。傳感器中心波長隨溫度的變化情況如圖3所示。為了便于觀察，圖4展示了FBG3和FBG4的中心波長隨溫度的變化?？梢姡S著環境溫度的升高，傳感器的中心波長呈線性增大。

圖3 傳感器中心波長隨溫度的變化

圖4 FBG3與FBG4的中心波長隨溫度變化圖

分別用x和y表示溫度和波長值，對采集到的數據進行y=ax+b形式的線性擬合，可得擬合直線的參數如表1所示。其中，FBG1的響應特性擬合直線為y=0.011 12x+1 524.741 75，擬合直線斜率的物理意義就是溫度每變化1℃波長飄移0.011 12nm，也就是說FBG1的溫度靈敏度為0.011 12nm/℃，即11.12pm/℃。FBG1-FBG10的斜率平均值約為0.011 2，即平均溫度靈敏度為11.2pm/℃。

表1 傳感器響應特性擬合直線的參數

為驗證這種基于光纖光柵陣列輸電線路溫度監測系統的有效性，將測試電纜架設安裝于室外測試現場。在解調系統的上位機軟件界面設置各傳感器編號FBG1-FBG320，根據上述測試結果分別設置各傳感器的一次項系數和常數項以及初始中心波長值，并設置為數據記錄間隔為1h，系統自動記錄并輸出溫度數據。測試當日氣溫為22℃～31℃。自早8∶00起至晚22∶00測得的電纜表面溫度數據如圖5所示，溫度最高值為37.8℃。由于傳感器數量過多，本文選擇前4個通道的傳感器FBG1-FBG40，測得的溫度數據繪制成如圖6所示的三維變化曲線，從圖中可以清晰地看出電纜表面在不同時刻的溫度情況。

圖5 傳感器陣列測得的電纜表面溫度數據

圖6 前4通道傳感器FBG1-FBG40的實測數據

3 結語

本文研制了基于光纖光柵陣列的輸電線路溫度監測系統，單系統可實現320個測點的同時監測。研制的光纖光柵溫度傳感器靈敏度為11.2pm/℃。試驗結果表明，該技術可用于輸電線路溫度的長距離實時在線監測，其性能能夠滿足電力系統安全運行監測的需求。