崔嘉，趙霞，方玄，張恩隆，吉俊兵

(1.國網(wǎng)山西電力公司臨汾供電公司;2.江蘇法爾勝光電科技有限公司)

0 引言

二十世紀(jì)七十年代以來，光纖傳感技術(shù)伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而蓬勃發(fā)展，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨(dú)特的、其它載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感技術(shù)具有防電磁干擾、電氣本征安全和可靠性高的特點(diǎn)，在強(qiáng)電磁場存在的場所，采用光纖傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度的在線監(jiān)測(cè)已成為大家的共識(shí)［1］。而且光纖傳感尺寸小，容易實(shí)現(xiàn)在電力設(shè)備內(nèi)部布設(shè)。將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備測(cè)溫預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了電力運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，通過對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)，防止事故的發(fā)生，真正地做到防患于未然。其次也為今后實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，提高檢修效率，大大降低檢修成本和管理成本起到關(guān)鍵的作用。

1 光纖測(cè)溫技術(shù)簡介

按照光纖測(cè)溫的原理和作用，光纖測(cè)溫分光纖光柵測(cè)溫技術(shù)與光纖分布測(cè)溫技術(shù)。光線分布式測(cè)溫技術(shù)是在上世紀(jì)七十年代末提出，隨著光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，是一種利用激光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的背向喇曼散射信號(hào)和光時(shí)域反射原理來獲取空間溫度分布信息的監(jiān)測(cè)方法，它將傳感光纖沿場分布，并采用相應(yīng)的探測(cè)技術(shù)，對(duì)沿光纖傳輸路徑上的空間分布及隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行檢測(cè)或監(jiān)控［2-4］。

光纖光柵測(cè)溫技術(shù)主要器件是布拉格光纖傳感器。加拿大通信研究中心首先發(fā)現(xiàn)光纖光敏性，并且采用駐波寫入法獲得自感應(yīng)光柵。到1993年光纖敏化技術(shù)的進(jìn)步和相位掩模板的使用使光纖光柵實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。光纖光柵的反射或透射峰的波長與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)，而外界溫度或應(yīng)變的變化會(huì)影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長的變化，這就是光纖光柵傳感器的基本工作原理。實(shí)際工程中所用光纖是一種在纖芯中加入了光敏材料的特殊光纖，利用光敏光纖的光折變效應(yīng)，用紫外激光向光纖纖芯側(cè)面寫入，紫外曝光后會(huì)使纖芯的折射率增加，形成折射率周期變化的光柵結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量反射光波長的變化，從而測(cè)得被測(cè)物體的溫度。這種溫度傳感器容易維護(hù)、更換。這些特點(diǎn)決定了光纖光柵溫度傳感器是更適合于電力溫度測(cè)量的技術(shù)手段［5-6］。

2 變壓器溫度監(jiān)測(cè)

2.1 光纖傳感器靈敏度改進(jìn)

一般光纖光柵溫度傳感器的封裝在金屬殼體中，但是電力設(shè)備要求傳感器具有絕緣特性，因此采用陶瓷材料的殼體進(jìn)行封裝達(dá)到電力系統(tǒng)中使用規(guī)范。此外，由于應(yīng)變也會(huì)引起光纖光柵的反射波長變化，為隔離應(yīng)變對(duì)光纖光柵反射波長變化的影響，目前大部分的封裝都將光纖光柵懸空于殼體內(nèi)部。但此種制作方法降低了熱傳導(dǎo)的速率，影響傳感器的靈敏度。市場上部分產(chǎn)品直接在光纖光柵與封裝殼體空隙間注滿導(dǎo)熱油。此種做法會(huì)導(dǎo)致在溫度升高時(shí)，油受熱膨脹使得殼體破裂，損壞傳感器。

為了解決上述問題，本文提供一種應(yīng)用于電力設(shè)備的光纖光柵溫度傳感器封裝。在封裝殼體的兩端安裝兩個(gè)彈性塊，將光纖光柵安置于指定位置，然后注入導(dǎo)熱油填滿剩下的空隙。密封完畢后，導(dǎo)熱油在溫度升高時(shí)會(huì)膨脹，兩端的彈性塊受壓收縮，避免造成殼體破裂，因此導(dǎo)熱油能增加傳感器靈敏度，且不會(huì)在高溫時(shí)損壞封裝結(jié)構(gòu)［7-8］。

具體如圖1所示，通過模具加工出如圖所示的結(jié)構(gòu)外殼2(圖1-2)，兩個(gè)特定形狀的彈性塊4-1與4-2分別固定于外殼2的兩個(gè)凹槽9-1、9-2內(nèi)，在內(nèi)部空腔注入導(dǎo)熱油，最后將制作好的光纖光柵穿過孔8(圖1-3)以及彈性塊，在設(shè)計(jì)長度處用膠水將光纖護(hù)套固定于封裝外殼，完成光纖光柵溫度傳感器的制作［9-10］。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

2.2 電力變壓器內(nèi)傳感器設(shè)計(jì)安裝

變壓器運(yùn)行中繞組溫度過高會(huì)導(dǎo)致絕緣老化、燒毀、擊穿等一系列事故。油浸變壓器有6℃法則，即變壓器運(yùn)行溫度每升高6℃，其壽命減少一半，每降低6℃其壽命增加一倍。因此對(duì)變壓器進(jìn)行溫度無論從安全性還是經(jīng)濟(jì)性考慮都是非常必要。

電力變壓器分干式與油浸式，市場上一些公司將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用與干式變壓，此種做法不是十分合適。首先干式變壓器依靠空氣對(duì)流進(jìn)行冷卻、體積小、機(jī)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)手段(鉑電阻測(cè)溫)能夠滿足要求，其次干式變壓器本身價(jià)格低廉，如安裝一套光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本將大幅度增加，市場推廣難度大?；谝陨弦蛩乜紤]，本文將主要針對(duì)油浸式變壓器進(jìn)行傳感器的封裝設(shè)計(jì)及安裝方式探索。

研究人員嘗試將光纖光柵測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于油浸式變壓器已經(jīng)持續(xù)多年，一直存在一些技術(shù)上的問題。

(1)材料:傳感器封裝結(jié)構(gòu)與尾纖長期浸泡在油箱中，整體溫度傳感器需兼容變壓器油化學(xué)環(huán)境，確保產(chǎn)品的長期性、可靠性。

(2)引出方式:油浸式變壓器整體密封，尾纖的引出需考慮絕緣性與防滲漏，同時(shí)不能影響箱體的機(jī)械強(qiáng)度

為解決以上技術(shù)難題，光纖采用特種耐高溫光纖，此種光纖具有良好的高溫條件下光學(xué)性能、機(jī)械性能的穩(wěn)定保持特性，具有高低溫連續(xù)劇烈變換時(shí)的性能穩(wěn)定保持特性，能適應(yīng)電力系統(tǒng)環(huán)境中的使用要求;光纖光柵的封裝材料為感溫陶瓷材料絕緣耐壓、抗油污，兼容變壓器的化學(xué)環(huán)境;傳感器尾纖采用內(nèi)外雙層護(hù)套設(shè)計(jì)，外層材料選用特氟龍，充分考慮變壓器制作工藝流程，滿足施工過程中高溫、滲油、高強(qiáng)度和可柔性的特點(diǎn)，最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品如圖2所示。

光纖光柵溫度傳感器尾纖的引出通過特殊貫通器結(jié)構(gòu)。油浸式變壓器的設(shè)計(jì)階段在殼體上預(yù)留適當(dāng)?shù)膱A孔，貫通法蘭盤與圓孔緊密固定，貫通法蘭盤根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行定制，如圖3所示。

圖2 外殼結(jié)構(gòu)

圖3 端面

貫通器是用來連接變壓器腔體內(nèi)外的光纖，采用特殊工藝連接的機(jī)械與光學(xué)混合組件，具有長期可靠的密封性和耐油性，貫通器與貫通法蘭盤的連接如圖4所示，由此實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)外光纖對(duì)接，最后將整個(gè)貫通裝置密封于金屬防護(hù)罩內(nèi)，用于保護(hù)貫通器與轉(zhuǎn)接光纜部分免受外部的損傷。

圖4

3 系統(tǒng)集成

變壓器內(nèi)部一般監(jiān)測(cè)繞組、鐵芯與填充油的溫度，一臺(tái)變壓器需測(cè)量的溫度點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況為6到9個(gè)，而少有多臺(tái)變壓器集中安放的情況，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)較小;而市場上光纖光柵解調(diào)儀的通道數(shù)為8路、16路、32路甚至更多，每個(gè)通道可接受12個(gè)以上的傳感器數(shù)據(jù)。如果只是監(jiān)測(cè)變壓器的溫度，解調(diào)儀端口的大量冗余，造成浪費(fèi)資源，間接增加總體工程成本，不利于產(chǎn)品的推廣。目前采用光纖光柵技術(shù)在線監(jiān)測(cè)開關(guān)柜與電力電纜溫度已經(jīng)比較成熟，所以考慮將變壓器、電力電纜以及開關(guān)柜的測(cè)溫集成到一個(gè)系統(tǒng)，充分利用資源，節(jié)約成本。

如圖5所示安裝于變壓器、開關(guān)柜等電力設(shè)備內(nèi)部的光纖光柵溫度傳感器可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式相連接，形成溫度感知網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)光纖傳感器將被測(cè)物的溫度信息通過通信光纜傳送到解調(diào)儀，解調(diào)儀將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電信號(hào)提供給工控機(jī)，最后所有信息統(tǒng)一匯總到監(jiān)控中心。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

針對(duì)目前市場上油浸式變壓器溫度監(jiān)測(cè)的不足，本文提出采用特種光纖、特殊傳感器封裝材料、尾纖雙層保護(hù)以及定制貫通器能有效的完成對(duì)變壓器的溫度監(jiān)測(cè)，對(duì)保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。

由于光纖光柵解調(diào)儀的核心技術(shù)被國外控制，導(dǎo)致其價(jià)格較高，在與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的競爭中處于不利地位。基于成本考慮，文中提出系統(tǒng)集成概念，將變壓器、電力開關(guān)柜、電力電纜等不同部位的監(jiān)測(cè)統(tǒng)一集中，充分利用解調(diào)儀的資源，有效節(jié)約成本，有利于技術(shù)產(chǎn)品推廣。

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