基于光纖光柵溫度傳感器的高壓開(kāi)關(guān)觸頭溫度測(cè)量

高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測(cè)一直是電力工業(yè)安全運(yùn)行的重大課題之一，但是由于觸頭處在強(qiáng)電磁場(chǎng)、高電壓環(huán)境中，所以目前的監(jiān)測(cè)方法都是圍繞何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾和高電壓的隔離問(wèn)題，主要方法有感溫紙測(cè)溫、紅外溫度測(cè)量、F-P 光學(xué)式測(cè)量、感應(yīng)竊電方式測(cè)量、光纖傳輸方式和紅外無(wú)線傳輸等。而光纖光柵傳感器集測(cè)量和傳輸于一體，采用光波的形式進(jìn)行測(cè)量和傳輸，具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場(chǎng)干擾和良好的絕緣性能等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合高壓開(kāi)關(guān)柜的觸頭溫度測(cè)量環(huán)境?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本文提出了一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測(cè)量方案，同時(shí)采用合理的安裝技術(shù)解決了應(yīng)變交叉敏感的影響。

　　2 光纖光柵傳感器原理

光纖光柵傳感器既能實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，又能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量，這兩個(gè)物理量都能引起光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的變化。

光纖光柵的溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起的，熱光效應(yīng)引起光纖光柵的有效折射率的變化，而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期變化。當(dāng)光纖光柵傳感器所處的溫度場(chǎng)變化時(shí)，可推導(dǎo)出溫度對(duì)布拉格波長(zhǎng)變化的影響為

式中 a 為光纖的熱膨脹系數(shù)，主要引起柵格周期的變化，取5.5′10-7;x 為光纖的熱光系數(shù)，主要引起光纖的折射率變化，取5.5′10-6。光纖光柵傳感器的應(yīng)變特性是彈光效應(yīng)和彈性效應(yīng)共同作用的結(jié)果，彈性效應(yīng)會(huì)改變光柵的柵格周期，彈光效應(yīng)會(huì)改變光纖的有效折射率，其傳感特性可以表示為[13]。

式中 Pe為光纖的有效彈性系數(shù)，Pe =0.22。正因?yàn)楣饫w光柵傳感器既能測(cè)量溫度又能測(cè)量應(yīng)變，所以在對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭實(shí)行溫度測(cè)量時(shí)，就要想辦法屏蔽由于開(kāi)關(guān)柜振動(dòng)引起的應(yīng)變對(duì)溫度測(cè)量精度的影響，這就是光纖光柵傳感器的應(yīng)變交叉敏感。

　　3 觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)方案

3.1 光纖光柵傳感器的安裝

高壓開(kāi)關(guān)柜的斷路器分為移動(dòng)小車和開(kāi)關(guān)柜兩部分，高壓開(kāi)關(guān)柜的觸頭共有六個(gè)，分別分布在上側(cè)和下側(cè)的A、B、C 三相上，那么為了保證系統(tǒng)的可靠性，必須對(duì)六個(gè)觸頭的溫度同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如式(1)、(2)所示，由于光纖光柵傳感器對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)敏感，為了保證溫度測(cè)量精度，必須屏蔽應(yīng)變的交叉敏感影響，即斷路器的分、合過(guò)程中產(chǎn)生的任何應(yīng)變都不應(yīng)傳遞給光纖光柵傳感器。本系統(tǒng)是通過(guò)把光纖光柵溫度傳感器單端固定在靜觸頭上，來(lái)屏蔽觸頭在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變。另外，為了保證光纖光柵溫度傳感器對(duì)觸頭各點(diǎn)溫度測(cè)量的均勻性，系統(tǒng)充分利用靜觸頭的中間空位，把溫度傳感器固定在靜觸頭的中間位置，圖1是傳感器在單個(gè)靜觸頭的安裝示意圖。當(dāng)動(dòng)觸頭與靜觸頭在分、合時(shí)，在靜觸頭的圓周位置產(chǎn)生應(yīng)變，而在其中心不存在應(yīng)變，那么應(yīng)變也就傳遞不到光纖光柵傳感器了。這種安裝方案既保證了溫度的測(cè)量精度又屏蔽了由于振動(dòng)引起的應(yīng)變交叉敏感影響。


3.2 光路復(fù)用方案

六個(gè)光纖光柵溫度傳感器的同時(shí)測(cè)量就涉及到光路的復(fù)用問(wèn)題，光纖光柵傳感器的復(fù)用可以采用波分復(fù)用(WDM)、空分復(fù)用(SDM)或時(shí)分復(fù)用(TDM)方式，本系統(tǒng)是采用空分復(fù)用和波分復(fù)用方法。如圖2 所示，用1′8 耦合器實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的空分復(fù)用，這樣可以避免采用單一波分復(fù)用的弊端，即多個(gè)傳感器串連在一根光纖上，在其中一個(gè)傳感器損壞時(shí)會(huì)影響其它傳感器信號(hào)的傳輸;同時(shí)在傳感器工作波長(zhǎng)的選擇上又采用了波分復(fù)用方式，用來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)量速度，即在波長(zhǎng)解調(diào)時(shí)采用一個(gè)掃描周期可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)傳感器的同時(shí)測(cè)量。

在圖2 中，A、B、C三相的六個(gè)光纖光柵溫度傳感器處于高電壓側(cè)，分別安裝在靜觸頭孔徑內(nèi)，而耦合器、波長(zhǎng)解調(diào)器、控制器以及數(shù)據(jù)處理電路都處于地電位側(cè)，安裝在控制室內(nèi)，采用長(zhǎng)距離的光纖傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓側(cè)絕緣隔離。圖中的A1、B1、C1，A2、B2、C2是本文設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器，分別分布在隔離觸頭的上側(cè)和下側(cè)A、B、C 三相上，在常溫下傳感器的波長(zhǎng)分別為1548.5nm、1550.1nm、1551.6nm、1553.5nm、1555.5nm、1557.1nm，靈敏度為0.011nm/℃、0.013nm/℃、0.011nm/℃、0.010nm/℃、0.011nm/℃、0.012nm/℃，測(cè)量范圍為0110℃;耦合器為由7 個(gè)3dB耦合器組合而成的1′8耦合器;波長(zhǎng)解調(diào)器為采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描，其工作波長(zhǎng)范圍為15481558nm，覆蓋6 個(gè)傳感器在0110℃溫度變化時(shí)的所有波長(zhǎng)帶;控制器在數(shù)據(jù)處理器的控制下實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)器的掃描。

3.3 觸頭溫度模型

高壓開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行時(shí)，觸頭、母線、電流互感器、柜體等構(gòu)成了多個(gè)熱源，高壓開(kāi)關(guān)柜及內(nèi)部各部件又構(gòu)成了復(fù)雜的熱阻網(wǎng)絡(luò)[14]。在此系統(tǒng)中，要通過(guò)理論推導(dǎo)出觸頭溫升與光纖光柵傳感器溫升間的數(shù)學(xué)關(guān)系是比較困難的，因此本文通過(guò)試驗(yàn)方法建立了它們之間的數(shù)學(xué)模型。

溫升實(shí)驗(yàn)是在10kV 高壓開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)時(shí)三相觸頭接觸正常，工作額定電流為1kA，室溫為25℃。圖3 是上隔離觸頭B 相的溫升過(guò)程曲線，可以看出光纖光柵傳感器測(cè)量的溫升變化要比觸頭的實(shí)際溫升變化慢，但它們的變化趨勢(shì)是相同的，大約在3h 以后溫度場(chǎng)變化趨于穩(wěn)定。測(cè)量溫度與實(shí)際溫度間的差值是由于傳感器采用非接觸方式測(cè)量溫度，它依靠靜觸頭的輻射來(lái)傳遞熱量。表1 是其溫升測(cè)量數(shù)據(jù)。

可以看出在開(kāi)關(guān)柜觸頭接觸正常、溫度變化穩(wěn)定后各個(gè)觸頭的實(shí)際溫升值DTC 與對(duì)應(yīng)的傳感器溫升值DTS之間的比例關(guān)系都在1.43 附近，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，可建立觸頭的實(shí)際溫度與傳感器的測(cè)量溫度間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為
TC=K(TS-T)+T (3)
式中 K=1.43;TS為光纖光柵溫度傳感器測(cè)量的溫度值;T為高壓開(kāi)關(guān)柜環(huán)境溫度。

3.4 系統(tǒng)的抗電磁干擾性分析

為了檢驗(yàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，在高壓開(kāi)關(guān)柜滿負(fù)荷工作，并且傳感器測(cè)量趨于穩(wěn)定的情況下，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜采用突然掉電的方式來(lái)檢測(cè)溫度測(cè)量結(jié)果與電磁場(chǎng)的關(guān)系[15-16]，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾能力的實(shí)驗(yàn)。圖4 是在觸頭溫升趨于穩(wěn)定后，在試驗(yàn)過(guò)程中安排了兩次停電并在一次側(cè)的B 相觸頭上測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，圖4(a)是電流的變化過(guò)程圖，圖4(b)是電流變化引起的觸頭溫度變化曲線?？梢?jiàn)在母線失去電流的情況下，引起了觸頭溫度的下降，但在恢復(fù)送電后又很快開(kāi)始上升。從曲線可以看出測(cè)量的觸頭溫度對(duì)突然的停電與送電做出了反應(yīng)，但這種溫度的升降是漸變的而不是突變的，說(shuō)明電磁場(chǎng)的存在對(duì)傳輸光纖以及光纖光柵溫度傳感器沒(méi)有影響。如果電磁場(chǎng)的存在使測(cè)溫系統(tǒng)顯示的溫度較實(shí)際溫度偏高或偏低，那么當(dāng)開(kāi)關(guān)柜母線中一旦失去電流，電磁場(chǎng)消失時(shí)，溫度顯示會(huì)立即跳變到“實(shí)際值”，但這種跳變現(xiàn)象在實(shí)際試驗(yàn)中并未發(fā)生。因此說(shuō)明光纖光柵觸頭測(cè)溫系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。


　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本光纖光柵觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)在變電站10kV高壓開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行了成功試用，圖5 是在高壓開(kāi)關(guān)柜工作在70%的額定負(fù)荷范圍時(shí)對(duì)一次側(cè)B相觸頭在24 小時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)記錄，它反應(yīng)了全天觸頭溫度的變化過(guò)程。從圖中可以看出，從午夜0點(diǎn)到早晨6 點(diǎn)之間觸頭的溫度最低，這一方面是由于用電負(fù)荷較小，另一方面與氣溫較低有關(guān);從早晨6 點(diǎn)開(kāi)始隨著用電負(fù)荷的增大，觸頭的溫度也開(kāi)始升高，到9點(diǎn)用電負(fù)荷趨于穩(wěn)定，但由于氣溫的逐漸升高觸頭溫度也開(kāi)始上升，到14 點(diǎn)時(shí)溫度達(dá)到最高;從14點(diǎn)到18點(diǎn)之間由于氣溫的降低，觸頭的溫度也逐漸變小;同時(shí)從18 點(diǎn)后，由于用電負(fù)荷的增大，觸頭溫度又開(kāi)始上升，到22 點(diǎn)時(shí)達(dá)到最高;此后隨著用電負(fù)荷的減小，觸頭溫度也逐漸降低。通過(guò)對(duì)24小時(shí)觸頭溫度的記錄分析可以看出，光纖光柵觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)能夠正常工作，其記錄數(shù)據(jù)正確反應(yīng)了觸頭溫度與開(kāi)關(guān)柜的工作負(fù)荷和周圍空氣溫度之間的變化關(guān)系，說(shuō)明了光纖光柵觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)的方案是可行的。

　　5 結(jié)論

本文利用光纖光柵傳感器的體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，代替電子類傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測(cè)，此方案不需要復(fù)雜的絕緣設(shè)計(jì)，因此具有簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)。此方案中，解決了光纖光柵溫度傳感器的應(yīng)變交叉敏感影響，在光路的復(fù)用上采用了空分復(fù)用加波分復(fù)用的方案，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。此系統(tǒng)在10kV 高壓開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，說(shuō)明本方案是可行的。