高壓配電設(shè)備光纖光柵監(jiān)測技術(shù)研究

中國電建集團(tuán)港航建設(shè)有限公司 丁春暉 王守清 劉智慧

高壓電可在較低損耗的條件下完成電力輸送，高壓配電系統(tǒng)在運(yùn)行和維護(hù)過程中，需要對異常情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。高壓開關(guān)柜等設(shè)備異常時，溫度會發(fā)生變化，可根據(jù)這一特性進(jìn)行高壓電設(shè)備的監(jiān)測[1]。在高壓電配電系統(tǒng)中，溫度傳感器可根據(jù)工作原理分為電信號和光信號兩類，而后者又可分為拉曼散射和光纖光柵傳感器[2]。電信號溫度傳感器具有反應(yīng)快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時也有系統(tǒng)規(guī)模大和可靠性低的缺點(diǎn)。光信號傳感器中，拉曼散射類型存在分辨率有限、反應(yīng)速度慢、使用壽命短等缺點(diǎn)，因此其使用受到一定的制約。光纖光柵具有波長編碼的能力，具有體積小、測量精度高和對環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、航天等領(lǐng)域。本文基于光纖光柵的良好特性，研究了高壓配電設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)。

1 光纖光柵的溫度傳感與監(jiān)測原理

根據(jù)光敏光纖的光敏特性，光纖光柵在纖區(qū)長度內(nèi)，如果改變其折射率，則會改變Bragg光柵的波長，若控制得當(dāng)，可利用光的波長信息，進(jìn)行溫度的傳感與監(jiān)測。

1.1 光纖光柵的溫度傳感機(jī)理

Bragg光柵是反射光柵，具有窄帶反射濾波功能，其性能較為優(yōu)異[3]。如圖1所示，當(dāng)光入射到Bragg光柵時，會發(fā)生反射和透射，反射光能滿足光柵條件，其余為透射光。反射光的波長隨著溫度的增加而移動，根據(jù)Bragg條件[4]，其中心波長λB的計(jì)算公式為：

圖1 Bragg光柵的工作原理

其中，Λ為光纖光柵的周期，neff是光纖的有效折射率。根據(jù)公式（1）可知，反射光的波長λB取決于neff和Λ。當(dāng)應(yīng)力的變化較小時，neff和Λ的數(shù)值則主要受溫度的影響，因此中心波長λB可以和溫度能夠建立一定的聯(lián)系，通過測量中心波長λB的變化就能夠監(jiān)測溫度的變化。

根據(jù)Bragg光柵的基本特性，可以計(jì)算其反射系數(shù)R和透射系數(shù)T，計(jì)算公式如下：

其中，k是光柵的耦合系數(shù)，L是光柵的長度，δβ=β-pπ/Λ，β=2πneff/λ為摸的傳輸常數(shù)，p是一個表示波場階數(shù)的整數(shù)，λ是光在自由空間傳播時的波長。公式（2）至（4）中和的計(jì)算公式如下：

如果波長和光柵的反射系數(shù)匹配，即δβ=0，此時反射系數(shù)R的值最大。因此，一階場（p=1）的反射系數(shù)的計(jì)算公式為：

將單模光纖的耦合系數(shù)代入公式（7），同時結(jié)合公式（1）的中心波長計(jì)算公式可得：

光纖光柵的中心波長λB，其數(shù)值大小主要取決于neff和Λ，影響neff和Λ的主要因素是外界的應(yīng)變和溫度，通過光纖封裝技術(shù)，能夠提高光纖對溫度變化的靈敏度。若不考慮應(yīng)變等因素的影響，則光纖光柵中心波長λB的變化主要取決于溫度，光纖光柵中心波長λB隨溫度的漂移量為：

其中，ΔneT是光纖光柵僅受到溫度因素影響的有效折射率，其變化主要受到熱光系數(shù)的ξ影響，ΔΛT是光柵僅受到溫度因素影響的周期，其變化量主要取決于熱膨脹系數(shù)af。將熱光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)對折射率和周期的影響代入公式（9），光纖光柵的中心波長λBfalse隨溫度的漂移量可表示為：

不妨設(shè)KT為光纖光柵的溫度變化系數(shù)，且有KT=2neffΛ（ξ+af），則公式（10）可以表示為：

從公式（11）可知，光纖光柵的中心波長λB的大小與溫度存在正比例的關(guān)系，比例系數(shù)為光纖光柵的溫度變化系數(shù)，影響該系數(shù)的主要因素是光纖光柵的制作材料。對于大多數(shù)采用石英制造的光纖而言，熱光系數(shù)的大小為5.5×10-7，熱膨脹系數(shù)的大小為6.8×10-6，有效折射率為1.46。當(dāng)光纖光柵的波長為1550nm時，其溫度變化系數(shù)為10.8pm/℃。因此，對于特定材質(zhì)的光纖，完成溫度變化系數(shù)的測定后，可通過中心波長的漂移量直接得到溫度的變化量，從而利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)了溫度的傳感。

1.2 光纖光柵解調(diào)技術(shù)的溫度監(jiān)測原理

溫度的變化能夠改變光纖光柵的中心波長，即引起B(yǎng)ragg波長漂移，通過公式（11）可知，通過測定Bragg波長漂移量來獲得溫度的變化量，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的自動監(jiān)測。在這個過程中，解調(diào)技術(shù)是關(guān)鍵，需要實(shí)現(xiàn)高精度、低成本地檢測波長漂移量，本文的采用可調(diào)F-P濾波器進(jìn)行解調(diào)。

如圖2所示，F(xiàn)-P濾波器基于多光束干涉的光學(xué)原理，由平面狀的石英或者玻璃板組成F-P腔，在內(nèi)表面鍍上具有高反射和部分透射功能的薄膜。若平行光的波長范圍固定，其通過光纖傳播，入射到F-P腔后，根據(jù)光的反射與透射原理，會在兩端面發(fā)生多次反射和透射。基于光的干涉理論可知，某些波長的光能夠滿足干涉條件，將會在F-P腔產(chǎn)生很大的相干干涉。不妨設(shè)入射光的光強(qiáng)為I0，則反射光的光強(qiáng)為：

圖2 F-P干涉示意圖

透射光強(qiáng)為：

其中，R為F-P腔的反射系數(shù)，φ是相鄰光的相位差。

令h為F-P腔的長度，則其與相位差φ存在以下關(guān)系：

其中，Δ是兩相鄰光束的光程差，n是折射率，i是光入射到F-P腔的入射角，λ是光的波長。

通過公式（12）可知，反射系數(shù)R的數(shù)值越大，則反射光越強(qiáng)；通常情況下反射系數(shù)不等于1，因此無法避免透射光的存在。通過公式（13）可知，當(dāng)φ=2kπ時，透射光的強(qiáng)度等于入射光的強(qiáng)度，此時沒有反射光的存在。由公式（14）可知，相位差的數(shù)值取決于F-P腔的折射率和長度，因此可采取改變F-P腔的折射率和長度的做法來調(diào)節(jié)相位差的大小，進(jìn)而調(diào)整反射光和透射光的強(qiáng)度。

根據(jù)公式（14）可知，在折射率n和腔長h固定的條件下，當(dāng)入射光的入射角等于零或者近乎為零時，相位差φ是波長λ的函數(shù)。當(dāng)入射光的波長在一定范圍內(nèi)時，由于多光束的干涉作用，在特定的一些波長λK附近存在極大值。在入射角等于零的條件下，λK的數(shù)值可以用下式計(jì)算：

其中，k是干涉級數(shù)。

在腔長h固定的條件下，波長在λ和λ+Δλ范圍內(nèi)時，波長λ、λ+Δλ分別對應(yīng)K+1和K級干涉條件不能同時滿足，否則無法區(qū)分這兩個波長。根據(jù)公式（15），令2nh=k（λ+Δλ）=（k+1）λ，因此，在F-P腔的長度為h的條件下，可以采用下式計(jì)算光譜范圍。

因此，對于固定波長的入射光而言，折射率越大，F(xiàn)-P腔的長度越大，會導(dǎo)致光譜范圍Δλ越小。在光譜范圍內(nèi)，需要控制光波按照一定的順序在不同的時間內(nèi)通過F-P腔。由于干涉作用，通過F-P腔的波長與腔長相關(guān)，且存在一一對應(yīng)的關(guān)系。F-P腔在濾波過程中，保持固定的干涉級數(shù)，通過改變腔長來獲得不同波長的光。通過控制腔長和光源的峰值波長，能夠確定透射光的干涉級數(shù)，所以腔長的變化范圍受到光譜范圍、F-P腔的長度及反射率、光源的峰值波長的共同影響。

F-P腔的濾波范圍很窄，因此利用F-P濾波器對窄頻帶的透射光進(jìn)行解調(diào)時，其波長解調(diào)精度較高。利用可調(diào)F-P濾波器，可將光源控制為窄帶光源，并在該范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)F-P的腔長進(jìn)行掃描，當(dāng)波長為Bragg波長時，會輸出光柵反射信號，該信號通過光探測設(shè)備之后，形成電信號。通過對電信號的處理，能夠達(dá)到溫度監(jiān)測的目的。

2 高壓配電設(shè)備的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用光纖光柵能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的傳感與測量，為了正確監(jiān)測高壓配電設(shè)備的溫度，還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 配電室的結(jié)構(gòu)與監(jiān)測對象分析

對于高壓配電設(shè)施而言，配電室內(nèi)的設(shè)備通常是帶電的，如高壓開關(guān)柜、電纜、母線等。高壓開關(guān)柜由斷路器和柜體構(gòu)成，具有架空、電纜進(jìn)出線，母線聯(lián)絡(luò)等功能，起到通斷和保護(hù)電路的作用。柜體包括主母線室、電纜室、儀表室等。高壓配電設(shè)備中容易出現(xiàn)異常的是斷路器，因此，需要監(jiān)測移動小車和開關(guān)柜的六個觸頭的溫度，同時監(jiān)控配電室和三相進(jìn)線的溫度。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

高壓配電室的電纜、開關(guān)柜等設(shè)備的電壓通常較高，為確保安全，要求監(jiān)測設(shè)備與高壓配電設(shè)備保持一定距離的同時，能夠有效實(shí)現(xiàn)測量信號的傳輸。基于光纖光柵的溫度監(jiān)測原理，測量和傳輸?shù)木枪庑盘枺軌驅(qū)崿F(xiàn)無電監(jiān)測。由于檢測的是光信號的中心波長，而不是光強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)定性，而且能夠進(jìn)行數(shù)字化處理。

在掃描狀態(tài)下，F(xiàn)FP-TF將進(jìn)入其光變成窄帶光，當(dāng)掃描波長為某個Bragg波長時，傳感光柵則會輸出相應(yīng)的反射信號。反射信號經(jīng)過光電探測和A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備后，形成處理系統(tǒng)能夠識別和處理的數(shù)字信號。利用低通濾波器，將輸入信號的高頻噪聲進(jìn)行壓制后輸入系統(tǒng)，經(jīng)過計(jì)算后，與上位機(jī)通信，根據(jù)通信結(jié)果控制FFP-TF的掃描波長。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在光路部分，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是選取光源、耦合器、F-P濾波器、光纖光柵等元器件的參數(shù)。寬帶光源選擇中心波長1550nm的半導(dǎo)體光源，帶寬為80nm。可調(diào)F-P濾波器選擇Micron Optics生產(chǎn)的FFP-TF2，其每次只讓一條窄帶光譜通過，腔長隨時間變化不復(fù)雜。光電探測器的主要功能是探測光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，采用PIN光電探測器。在電路設(shè)計(jì)部分，首先需要用運(yùn)算放大器，將精度高、噪聲低的微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后進(jìn)行低通濾波，壓制高頻噪聲后輸入系統(tǒng)。

串口通信采用MAX3232進(jìn)行接口擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)接口電平轉(zhuǎn)換。軟件部分包括鍵盤任務(wù)，其負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)行其他任務(wù)的創(chuàng)建工作。顯示任務(wù)主要作用是顯示系統(tǒng)界面，溫度采集任務(wù)控制連續(xù)采樣的間隔時間，并保存采樣結(jié)果。溫度采樣達(dá)到約定的次數(shù)后，啟動溫度數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，通過串行通信任務(wù)與上位機(jī)通信，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，根據(jù)給定的算法進(jìn)行處理和分析，結(jié)果在顯示器上顯示。

3 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證監(jiān)測效果，利用上述的系統(tǒng)和裝置對實(shí)驗(yàn)室的溫度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時間為當(dāng)日凌晨零點(diǎn)至次日凌晨零點(diǎn)，溫度采集時，時間間隔為1s。表1是監(jiān)測的傳感器中心波長，通過設(shè)計(jì)的光路和電路系統(tǒng)，能夠把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后進(jìn)行高頻噪聲壓制和溫度計(jì)算，顯示測量的溫度值，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測功能。第一個傳感器經(jīng)過24h的測量，測得的溫度曲線如圖3所示，在10小時、16小時測量人員進(jìn)行了手動操作，溫度曲線顯示出了溫度突變，說明整個溫度監(jiān)測系統(tǒng)是有效的，能夠正確監(jiān)測溫度的變化。

圖3 溫度監(jiān)測結(jié)果

表1 傳感器中心波長

4 結(jié)論

基于光纖光柵溫度傳感與監(jiān)測的基本原理，能夠?qū)⒈O(jiān)測對象的溫度變化轉(zhuǎn)換為光信號的主波長變化，通過光電探測和A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備能實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字化，便于記錄和處理。由于溫度監(jiān)測過程中，測量和傳輸?shù)男盘柺枪庑盘枺依玫氖侵鞑ㄩL信息，而非光強(qiáng)度，具有高的測量精度和良好的穩(wěn)定性。通過溫度監(jiān)測的試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可正確有效地監(jiān)測溫度。