火電機組高壓開關柜光纖光柵溫度感知技術的開發與應用

張操 彭志敏 魏逸飛 藏亮 徐昊源

摘 要：針對高壓開關柜溫度過熱問題，提出使用光纖光柵溫度傳感器實時在線監測方法，通過基于相位掩模板技術研究光纖制備前載氫、制備時光纖兩端預拉力、制備后的退火工藝對光纖光柵傳感器的光譜特性參數的影響規律，并且開展了制備后光纖光柵傳感器性能測試，實驗驗證光纖光柵傳感器測溫具有較高的穩定性和精確性，光纖光柵溫度傳感器為高壓開關柜溫度監測提供理論基礎。

關鍵詞：高壓開關柜;光纖光柵;性能測試;溫度

Abstract：Aiming at the overheating problem of high-voltage switchgear，a real-time online monitoring method using fiber grating temperature sensor is proposed.Based on the phase mask technology，the hydrogen loading before fiber preparation，the pre-tension at both ends of the fiber during preparation，and the annealing process after preparation are used to study the effect of fiber grating sensor on the fiber grating sensor.The influence law of the spectral characteristic parameters，and the performance test of the fiber grating sensor after preparation has been carried out.The experiment verifies that the fiber grating sensor has high stability and accuracy in temperature measurement，which provides a theoretical basis for the fiber grating temperature sensor to monitor the temperature of the high-voltage switchgear.

Keywords：High voltage switch cabinet;fiber grating;performance test;temperature

1 概述

隨著智能電網、超高壓電網規模的不斷擴大以及電力設備數量的急劇增長等因素，使得電力需求保持剛性增加，對火電機組的供電系統要求也在不斷提高。高壓開關柜作為火電機組系統運行的重要組成部分，其運行可靠性直接關系電力生產安全。高壓開關柜在運行過程中，由于電氣設備故障等原因會引起開關柜內部溫度過高，進而導致安全事故的發生[1-3]。據當前情況來看，在實際工業當中實時監測開關柜溫度能減少人工巡檢成本、降低人工誤判帶來的嚴重后果;由于開關柜是將多個電氣設備集中在一起的組合設備，其內部某些關鍵位置人工無法巡檢，且開關柜處于高電壓，強磁場的環境下，對開關柜進行溫度監測能夠提前預估溫度，以免過高引起的災害事故，保障生產安全[4]。因此實時監測開關柜的溫度很有必要。

光纖光柵溫度傳感技術具有抗電磁干擾、本質安全、體積小、易組網、測量靈敏度高等優點，非常適合電力開關設備內部復雜環境下溫度測量[5]。因此本文以光纖光柵溫度傳感器作為溫度感知探頭植入開關設備中實時監測開關柜溫度，研究采用相位掩模板法刻寫光纖光柵溫度傳感器時的刻寫參數對光纖光柵傳感器的影響規律。

2 實驗和分析

光柵刻寫過程中的一些制作工藝因素會影響光柵的光譜特性參數，通過搭建基于相位掩模板法的光纖光柵制備平臺，實驗研究了載氫，光纖配重以及退火時間對光纖光柵光譜特性參數的影響規律。系統實驗平臺如圖1所示：

2.1 光柵制備工藝

2.1.1 載氫

光柵的刻寫是光致折射率變化的過程，普通摻鍺單模光纖的光敏性較低，紫外直接光照射光纖時，折射率調制深度到10-5量級時已接近飽和，刻寫相對困難。提高光纖光敏性的方法主要有：

（1）載氫。氫分子擴散到纖芯內部，當光纖受到紫外曝光時，氫分子與鍺發生化學反應生成O-H鍵，光照部分的相位空間發生永久性改變，其折射率增加，該方法應用廣泛[6]。

（2）硼鍺摻雜。硼鍺共摻增加光纖光敏性是使用較多的方法之一，大量元素的摻雜能夠提高光纖對紫外光的吸收，導致纖芯內部折射率發生改變[7]。

（3）氫氧焰處理。F.Bilodeau等人在高壓載氫的基礎上，采用氫氧燃燒火焰灼燒光纖接受紫外曝光的位置來加速氫在光纖中擴散速度，溫度高達1700℃，其弊端是高溫可能導致光纖內部的性能破壞，光柵使用有效性存在隱患[8]。

其中，載氫是易操作，成本低且較有效的增敏技術，對任何摻鍺光纖都適用。實驗中在室溫（20℃～25℃）環境下將G652光纖放入高壓載氫罐中兩周，依次調整載氫罐壓力為5MPa、7MPa、10MPa、12MPa，載氫結束后，使用光柵刻寫系統對光纖進行紫外曝光后檢測載氫效果，測得其反射率變化規律如圖2所示。

由圖2可以看出，載氫壓力越大，纖芯內部含氫量越高刻寫時得到的光反射率越高。當載氫壓力小于10MPa時，載氫兩周后的反射率低于85%，不符合光柵使用時的工程實際。當大于10MPa時，載氫兩周后的反射率大于工程實際需求的85%，考慮安全和成本問題，載氫時可選擇在室溫下（20℃～25℃）以壓力10MPa放置兩周。

2.1.2 預拉力

使用波長為1540.732nm的G652單模光纖，在10MPa室溫下載氫14天制備載氫光纖，之后將光纖使用工具剝去約15mm的涂覆層，放在光纖調整架上，用兩端的光纖夾具夾住，通過位移臺調整掩模板，保證光纖需平行于掩模板，并且掩模板位于裸纖的中央位置。在相位掩模板法的光柵刻寫工藝中，光纖兩端的預拉力影響光柵的折射率調制，設置激光器的光源脈沖評頻率為10Hz，調整光路使光斑的寬度為10mm。使光纖的一端連接光譜儀檢測光柵的中心波長變化情況，其他條件不變，分別增加光纖兩端的配重5～75g，每次增加5g，得到光纖兩端預拉力對光柵中心波長的影響規律如圖3所示：

2.1.3 退火

紫外光照射載氫光纖后，在光纖內部生成一些不穩定化學鍵以及殘留的未參與化學反應而游離的氫分子，會影響光柵折射率調制深度，不利于光纖光柵傳感器的長期使用穩定性。通過退火工藝對光柵熱處理，能夠較快清除光纖內的不穩定化學鍵以及游離的氫分子，使光纖光柵傳感器處于長期穩定狀態。對波長為1540.732nm的G652單模光纖照射成柵后分別在120℃、150℃、180℃、210℃、240℃下進行退火實驗，退火溫度和時間對光柵反射率的影響規律如表1所示：

由表1可知，溫度越高，反射率穩定所需時間越短，但反射率下降越多，不利于光纖光柵的技術性能穩定。綜合考慮光柵退火溫度應選擇150℃，所需時間8小時。

2.2 光纖性能測試

2.2.1 標定實驗

選擇零度中心波長為1536.723nm的光纖光柵溫度傳感器作為測試樣品，將光纖光柵溫度傳感器固定在恒溫裝置表面，開展光纖光柵溫度傳感器標定實驗。設置溫度范圍為30℃～100℃，間隔5℃，經解調儀獲取波長值在上位機軟件中顯示，將溫度與對應的波長值記錄下來，并計算不同溫度下的光柵波長與零度波長之間的偏移量，得到的數據如表2所示，中心波長偏移量和溫度的關系如圖4所示。

由表3可知30℃、60℃和90℃時標準差在0.06℃左右，120℃時標準差約為0.15℃，與此之前的溫度相比，其離散程度相對較大。

通過溫度梯度圖、示值誤差、標準差對傳感器標定的結果分析可得傳感器的測溫結果穩定性好，精度高，滿足傳感器測溫的要求。

結語

本文采用相位掩模板法研究光柵刻寫前的載氫壓力以及光柵刻寫時光纖兩端預拉力、退火溫度和壓力對光柵寫制參數的影響規律，并測試刻寫的光柵性能，得出如下結論：

（1）在室溫（20℃～25℃）環境下，載氫壓力大于等于10MPa，時間兩周的光纖增敏工藝。

（2）光柵刻寫時，光纖兩端打的預拉力越大，刻寫速度越快，且預拉力越大，當光纖恢復原狀時，折射率調制周期越小，導致中心波長越小。因此刻寫的波長偏小時，可以采用增加光纖兩端的預拉力來實現。

（3）光柵刻寫后通過退火可以較快使光纖光柵傳感處于穩定狀態，退火時應設置150℃，所需時間8小時。

（4）選取中心波長為1536.723nm的傳感器作為測試樣本，對光纖光柵傳感進行溫度標定并對測溫結果進行誤差分析。通過對實驗數據進行分析，得出中心波長1536.723nm的傳感器的中心波長漂移量與溫度關聯性較強，擬合優度R2=0.99969。測溫實驗中，測溫點示值誤差在1℃以內，標準差小于0.15℃，表明光纖光柵溫度傳感器測溫具有較高的穩定性和精確性。

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作者簡介：張操（1985— ），男，漢族，寧夏銀川人，本科，中級工程師，寧夏京能寧東發電有限責任公司設備管理部部長助理兼電氣室主任，研究方向：電氣設備檢修技術。

*通訊作者：彭志敏（1981— ），男，漢族，北京市人，博士，副教授，研究方向：測試計量技術及儀器。