杜培東，張建華，鄭晶晶，王慶玲，韓永軍，岳新峰，劉玉紅

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050；2.寧夏大唐國(guó)際大壩發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750000；3.國(guó)家電網(wǎng)公司平?jīng)龉╇姽?，甘肅平?jīng)?744099）

光纖光柵測(cè)溫技術(shù)在電氣設(shè)備中的應(yīng)用研究

杜培東1，張建華1，鄭晶晶1，王慶玲1，韓永軍1，岳新峰2，劉玉紅3

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050；2.寧夏大唐國(guó)際大壩發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750000；3.國(guó)家電網(wǎng)公司平?jīng)龉╇姽?，甘肅平?jīng)?744099）

針對(duì)電氣設(shè)備熱故障引起絕緣能力下降并導(dǎo)致?lián)舸?，光纖光柵傳感器由于耐高溫、抗干擾性強(qiáng)、防水、遠(yuǎn)距離光纖傳輸?shù)忍匦缘玫綇V泛應(yīng)用，介紹了其在電力、鐵路、橋隧、發(fā)電等領(lǐng)域中的一些典型監(jiān)測(cè)方案，基于某牽引變電所的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)知：傳感器測(cè)溫分辨率0.1℃，誤差在±2℃之內(nèi)，報(bào)警靈敏度高，說(shuō)明該技術(shù)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)于高壓設(shè)備關(guān)鍵部位的絕緣監(jiān)測(cè)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

光纖光柵；監(jiān)測(cè)方案；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1 原理簡(jiǎn)介

光纖光柵是一段光纖，其纖芯中具有折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)。根據(jù)模耦合理論，λB=2nΛ的波長(zhǎng)被光纖光柵所反射回去（其中λB為光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Λ為光柵周期，n為纖芯的有效折射率）。

反射的中心波長(zhǎng)信號(hào)λB，跟光柵周期Λ，纖芯的有效折射率n有關(guān)，所以當(dāng)外界的被測(cè)量引起光纖光柵溫度、應(yīng)力改變都會(huì)導(dǎo)致反射的中心波長(zhǎng)的變化。也就是說(shuō)光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)的變化反映了外界被測(cè)信號(hào)的變化情況。光纖光柵的中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為[1]：

圖1 光纖光柵傳感器工作原理

圖2 傳感器反射波長(zhǎng)變化曲線

傳感器的中心波長(zhǎng)是通過(guò)光纖光柵傳感分析儀進(jìn)行解調(diào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[2]。其工作原理為：系統(tǒng)工作時(shí)，光纖光柵傳感分析儀內(nèi)部光源發(fā)出連續(xù)的寬帶光，經(jīng)光纜傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的光纖光柵溫度傳感器，傳感器內(nèi)部的測(cè)量敏感元件（光纖光柵）對(duì)該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個(gè)窄帶光，經(jīng)同一傳輸光纜返回到光纖光柵傳感分析儀內(nèi)部探測(cè)器來(lái)測(cè)定各個(gè)傳感器所返回的不同窄帶光的中心波長(zhǎng)，從而解析出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度值。由于多個(gè)傳感器所返回的窄帶光信號(hào)中心波長(zhǎng)范圍不同，所以可以將這些傳感器串接組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，大大簡(jiǎn)化了傳感器及引出線的布設(shè)，避免了以往逐點(diǎn)測(cè)量的不便。

2 電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)方案

電氣設(shè)備絕緣故障及溫度過(guò)高經(jīng)常發(fā)生在終端頭、觸頭等電氣、機(jī)械連接處，如表1所示。

表1 常見(jiàn)的供變電設(shè)備溫度異常位置統(tǒng)計(jì)

2.1 光纖光柵傳感器安裝步驟

（1）清潔被測(cè)物體表面

將被測(cè)物體表面的灰塵、鐵銹、污物等清理干凈，如果有條件可以用酒精棉擦拭。

（2）盤(pán)纖

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)于被測(cè)物體表面只能采用單端出光纜的測(cè)點(diǎn)位置，采用盤(pán)纖。將傳感器的其中一端光纜按照?qǐng)D3所示盤(pán)纖，盤(pán)纖直徑不小于50 mm，盤(pán)完后，將兩端光纜并在一起，用絕緣膠帶分段捆扎，每段長(zhǎng)度0.5 m左右。

（3）固定捆扎光纖光柵傳感器

傳感器外形如圖4所示，將感溫區(qū)涂上適量的導(dǎo)熱絕緣膠，安裝于被測(cè)物體表面。

圖3 傳感器盤(pán)纖方式

圖4 傳感器外形示意圖

2.2 光纖光柵傳感器安裝方式及監(jiān)測(cè)方案

（1）直線狀方式：被測(cè)溫對(duì)象為電纜、管道、隧道等時(shí)，直接把溫度傳感器布設(shè)在被測(cè)對(duì)象的外表面，并加以固定，有條件的地方，可將光纖嵌入到測(cè)溫對(duì)象的保護(hù)套內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一體化。監(jiān)測(cè)方案如圖5。

圖5 直線安裝式監(jiān)測(cè)方案

（2）立體方式：被測(cè)溫對(duì)象為變壓器、發(fā)電機(jī)定子等時(shí)，可把測(cè)溫傳感器立體地布置在變壓器的不同位置，或把溫度傳感器嵌入發(fā)電機(jī)定子的線槽內(nèi)。如圖6所示。

圖6 傳感器立體安裝方式

（3）星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式：被測(cè)對(duì)象為開(kāi)關(guān)柜等時(shí)，監(jiān)測(cè)方案如圖7。

2.3 拓展應(yīng)用

圖8為動(dòng)態(tài)載流量分析系統(tǒng)（DRS）簡(jiǎn)單示意圖，該系統(tǒng)接收來(lái)自O(shè)TS測(cè)量得到的電纜表面溫度、電纜環(huán)境溫度信息以及來(lái)自SCADA系統(tǒng)的電纜負(fù)載信息，采用實(shí)時(shí)熱模型和算法，將測(cè)量得到的溫度實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體溫度，同時(shí)計(jì)算分析動(dòng)態(tài)額定載流量，從而合理控制電力源，既可以做到充分利用電纜的傳輸能力，又可以確保電纜的安全[3-4]。

圖7 星型拓?fù)涫奖O(jiān)測(cè)方案

圖8 動(dòng)態(tài)載流量分析系統(tǒng)

3 應(yīng)用分析

對(duì)某直接供電方式下220 kV牽引變電所電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，變壓器每相電纜安裝21個(gè)光柵傳感器（斷路器控制柜至變壓器二次側(cè)終端頭）如圖9，2號(hào)主變監(jiān)測(cè)方案與1號(hào)主變相同。

為驗(yàn)證光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性，做兩種試驗(yàn)，一是精確度試驗(yàn)；對(duì)1～5處拐彎共計(jì)15個(gè)光纖溫度傳感器所實(shí)時(shí)顯示的溫度與便攜式Raynger 3i系列紅外測(cè)溫槍所測(cè)的溫度做對(duì)比，如圖10，兩者所測(cè)溫度基本相近，差值在±2℃之內(nèi)；二是報(bào)警響應(yīng)試驗(yàn)；對(duì)電纜溝拐彎4-3處溫度傳感器用工業(yè)電吹風(fēng)（最高溫度可達(dá)500℃）加熱，查看系統(tǒng)報(bào)警靈敏度及傳感器溫度變化曲線，如圖11，當(dāng)加熱時(shí)，后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示該點(diǎn)溫度迅速上升，由于系統(tǒng)是每分鐘采集一次溫度值，當(dāng)后臺(tái)顯示溫度由60.4℃上升到65.9℃時(shí)（電纜溫度報(bào)警定值65℃），報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作。這兩項(xiàng)試驗(yàn)充分說(shuō)明光纖光柵測(cè)溫技術(shù)能很好地反映電纜溫度的大小，對(duì)于負(fù)荷電纜、電氣連接處、斷路器觸頭等部位的絕緣在線診斷具有很大幫助。

圖9 1#主變A相電纜溫度監(jiān)測(cè)運(yùn)行圖

圖10 光柵溫度與紅外槍溫度對(duì)比曲線

圖11 光柵傳感器加熱溫度變化曲線

4 結(jié)論

本文介紹了光纖光柵測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用在電纜終端頭、發(fā)電機(jī)組、開(kāi)關(guān)柜等電氣設(shè)備中的監(jiān)測(cè)方案及布線方式，基于某牽引變電所電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于變壓器正常運(yùn)行，不選擇電纜終端頭，只對(duì)電纜溝1～5處拐彎共計(jì)15個(gè)光纖光柵溫度傳感器所實(shí)時(shí)顯示的溫度與便攜式Rangers 3i系列紅外測(cè)溫槍所測(cè)的溫度作對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明兩者所測(cè)溫度基本相近，差值在±2℃之內(nèi)；另外，對(duì)電纜溝拐彎4-3處溫度傳感器用工業(yè)電吹風(fēng)加熱進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)采集溫度為65.9℃時(shí)（電纜溫度報(bào)警定值為65℃），聲光報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作。這兩項(xiàng)試驗(yàn)說(shuō)明光纖光柵測(cè)溫技術(shù)能很好地反映電纜溫度的大小，通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備關(guān)鍵部件運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)可有效地診斷其絕緣狀態(tài)，防止過(guò)熱導(dǎo)致絕緣擊穿或火災(zāi)的發(fā)生。

［1］于強(qiáng)敏.分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)研究［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

［2］張曉虹，蔣雄偉，王振華，等.分布式光纖溫度傳感器在交聯(lián)聚乙烯絕緣地下電纜故障檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（12）：36-38.

［3］馬國(guó)棟.電線電纜載流量［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［4］彭超，趙健康，苗付貴，等.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（8）：43-45.

The Application Research of Optical Fiber Bragg Grating Temperature Measurement Technology in Electrical Equipment Temperature Monitoring

DU Pei-dong1，ZHANG Jian-hua1，ZHENG Jing-jing1，WANG Qing-ling1，HAN Yong-jun1，YUE Xin-feng2，LIU Yu-hong2
（1.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou730050，China；2.Ningxia Datang International Dam Power Generation Co.，Ltd，Yinchuan750000，China；3.National Grid Pingliang Power Company，Pingliang744099，China）

As electrical equipment insulation decrease and lead to breakdown caused by heat fault，fiber bragg grating sensor has many advantages such as high temperature，strong interference resistance，waterproof，long distance fiber optic transmission，has being applied broadly.Herein，this paper introduces some typical monitoring schemes which has practiced in electric power，railway，bridge and tunnel，power and many other fields.According to the traction substation test data，temperature resolution of 0.1℃，error within± 2℃，high alarm sensitivity.This findings dates suggest that the technology has high reliability and stability，and it is very practical for high voltage equipment key parts of insulation monitoring.

fiber bragg grating；monitoring scheme；engineering testproperties

TM855 TP274

A

1009－9492(2014)02－0012－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.004

杜培東，男，1986年生，甘肅靖遠(yuǎn)人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：高壓電氣設(shè)備絕緣評(píng)估與狀態(tài)檢修。

(編輯：阮 毅)

2013－08－23