一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測量的方案

時間：2017-05-26作者：廣州萊安智能化系統(tǒng)開發(fā)有限公司瀏覽：126

高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測一直是電力工業(yè)安全運行的重大課題之一，但是由于觸頭處在強電磁場、高電壓環(huán)境中，所以目前的監(jiān)測方法都是圍繞何實現(xiàn)系統(tǒng)的抗強電磁場干擾和高電壓的隔離問題，主要方法有感溫紙測溫、紅外溫度測量、F-P光學(xué)式測量、感應(yīng)竊電方式測量、光纖傳輸方式和紅外無線傳輸?shù)?。而光纖光柵傳感器集測量和傳輸于一體，采用光波的形式進行測量和傳輸，具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場干擾和良好的絕緣性能等優(yōu)點，因此非常適合高壓開關(guān)柜的觸頭溫度測量環(huán)境?；谝陨蟽?yōu)點，本文提出了一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測量方案，同時采用合理的安裝技術(shù)解決了應(yīng)變交叉敏感的影響。

　　光纖光柵傳感器的原理：光纖光柵傳感器既能實現(xiàn)溫度的測量，又能實現(xiàn)應(yīng)變的測量，這兩個物理量都能引起光纖光柵布拉格波長的變化。

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變化時，可推導(dǎo)出溫度對布拉格波長變化的影響為，

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)會改變光柵的柵格周期，彈光效應(yīng)會改變光纖的有效

折射率，其傳感特性可以表示為，

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

光纖光柵傳感器的安裝：高壓開關(guān)柜的斷路器分為移動小車和開關(guān)柜兩部分，高壓開關(guān)柜的觸頭共有六個，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，必須對六個觸頭的溫度同時進行監(jiān)測。如式（1）、（2）所示，由于光纖光柵傳感器對溫度、應(yīng)變同時敏感，為了保證溫度測量精度，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)是通過把光纖光柵溫度傳感器單端固定在靜觸頭上，來屏蔽觸頭在碰撞過程中產(chǎn)生的應(yīng)變。另外，為了保證光纖光柵溫度傳感器對觸頭各點溫度測量的均勻性，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是傳感器在單個靜觸頭的安裝示意圖。當(dāng)動觸頭與靜觸頭在分、合時，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量精度又屏蔽了由于振動引起的應(yīng)變交叉敏感影響。

　　光路復(fù)用方案：六個光纖光柵溫度傳感器的同時測量就涉及到光路的復(fù)用問題，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耦合器實現(xiàn)對傳感器的空分復(fù)用，這樣可以避免采用單一波分復(fù)用的弊端，即多個傳感器串連在一根光纖上，在其中一個傳感器損壞時會影響其它傳感器信號的傳輸;同時在傳感器工作波長的選擇上又采用了波分復(fù)用方式，用來提高系統(tǒng)的測量速度，即在波長解調(diào)時采用一個掃描周期可以實現(xiàn)六個傳感器的同時測量。

? ?在圖2中，A、B、C三相的六個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)，采用長距離的光纖傳輸來實現(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/℃，測量范圍為0"110℃；耦合器是7個3dB耦合器組合而成的1′8耦合器；波長解調(diào)器為采用壓電陶瓷驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)具實現(xiàn)波長掃描，其工作波長范圍為1548"1558nm，覆蓋6個傳感器在0"110℃溫度變化時的所有波長帶；控制器在數(shù)據(jù)處理器的控制下實現(xiàn)波長解調(diào)器的掃描。

? ?觸頭溫度模型：高壓開關(guān)柜在運行時，觸頭、母線、電流互感器、柜體等構(gòu)成了多個熱源，高壓開關(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，因此本文通過試驗方法建立了它們之間的數(shù)學(xué)模型。





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