胡正文+程馮宇+龐成鑫+桑杰+焦莉平+邵嘉

摘 要： 根據(jù)光纖布拉格光柵傳感器具有抗干擾強(qiáng)、高靈敏度和工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)良的物理特性，針對(duì)變電站沉降變形監(jiān)測(cè)工程中存在的耗費(fèi)大量人力、工作環(huán)境惡劣、積累時(shí)間長(zhǎng)等突出問題，設(shè)計(jì)了新型光纖光柵沉降位移傳感器，其沉降測(cè)量量程最大為300 mm，靈敏度為17.8 pm/mm，沉降位移分辨率為0.784 93 mm。與傳統(tǒng)的沉降傳感器相比，在測(cè)量靈敏度、分辨率和沉降量測(cè)量范圍上有了極大的提高。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站地基和電氣設(shè)備進(jìn)行大范圍、高靈敏度、高分辨率地沉降監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 光纖傳感； 沉降傳感器； 沉降轉(zhuǎn)換； 變電站監(jiān)測(cè)； 位移檢測(cè)； 智能電站

中圖分類號(hào)： TN253?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）01?0143?04

Abstract： Since the fiber Bragg grating sensor has strong anti?interference， high sensitivity， long service life and excellent physical properties， and the settlement deformation monitoring project of substation exists the problems of a lot of manpower consumption， poor working environment and long time accumulation， a new fiber Bragg grating settlement sensor was designed， whose maximum settlement measuring range is 300 mm， the sensitivity is 17.8 pm/mm， and the resolution of settlement displacement is 0.784 93 mm. In comparison with those of the traditional settlement sensors， the measuring sensitivity， resolution and settlement measuring range are improved greatly. According to the experimental results， the sensor can realize the large?scale， high?sensitivity and high?resolution settlement monitoring for the transformer substation foundation and electrical equipment.

Keywords： optical fiber sensing； settlement sensor； settlement conversion； substation monitoring； displacement detection； intelligent power station

0 引 言

變電站是電網(wǎng)的重要組成部分，它在電力系統(tǒng)中起變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調(diào)整電壓的作用[1?2]。目前，對(duì)于變電站的智能化建設(shè)主要集中在對(duì)變壓器、電流電壓互感器、GIS、SF6斷路器、隔離開關(guān)等變電站一次設(shè)備和繼電保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置等二次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與智能控制上，而對(duì)于變電站基礎(chǔ)建筑的智能化監(jiān)測(cè)方面的建設(shè)正處于起步階段[3]。

變電站內(nèi)的建筑物是保障電網(wǎng)安全的電力基礎(chǔ)設(shè)施，變電站基礎(chǔ)建筑物在施工期間以及后期運(yùn)營(yíng)期間的安全問題日益突出[4]。由于變電站大多建設(shè)在偏遠(yuǎn)的地區(qū)，其地質(zhì)條件和氣候條件經(jīng)常會(huì)引起變電站的地基沉降。變電站的地基沉降分為均勻沉降和不均勻沉降，當(dāng)?shù)鼗a(chǎn)生均勻沉降時(shí)，對(duì)地面上的電氣設(shè)備產(chǎn)生的附加內(nèi)應(yīng)力較小，不至于帶來較大的危害。但是當(dāng)?shù)鼗a(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，對(duì)地面上的電氣設(shè)備產(chǎn)生的附加內(nèi)應(yīng)力巨大，容易造成電氣設(shè)備的斷裂、傾斜甚至墜落，從而造成電氣設(shè)備事故的發(fā)生[5]。

變電站地基沉降的監(jiān)測(cè)方法主要是采用水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)法。這種方法是通過人工定期巡視檢查安裝在現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降樁頭，利用精密水準(zhǔn)儀觀測(cè)各個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的變化來判斷地基沉降量[6]。但是這種監(jiān)測(cè)方法的工作量繁重、耗時(shí)長(zhǎng)，而測(cè)得的數(shù)據(jù)量相反卻較少，容易受到環(huán)境因素的影響，使得判斷的準(zhǔn)確性不佳，而基于光纖布拉格光柵傳感器的變電站沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警等優(yōu)勢(shì)[7]。

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器是變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，F(xiàn)BG傳感器利用光纖的光學(xué)特性和傳感特性來探測(cè)工程中各種物理量[8]。它相對(duì)于傳統(tǒng)方法具有更高的靈敏度，不易受電磁干擾，絕緣性好，集傳感信息的獲取與傳輸一體，方便組成分布式光纖傳感等優(yōu)點(diǎn)[9]。本文采用FBG設(shè)計(jì)變電站沉降監(jiān)測(cè)的沉降傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站的沉降狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，針對(duì)變電站沉降積累時(shí)間長(zhǎng)、沉降范圍大以及工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，F(xiàn)BG沉降傳感器能夠很好地解決變電站沉降監(jiān)測(cè)的問題。

1 FBG傳感原理及傳感器設(shè)計(jì)

1.1 FBG傳感基本原理

FBG是根據(jù)摻雜光纖的紫外光敏特性的原理，使用周期性的強(qiáng)紫外光激光照射摻雜的光纖，使光纖纖芯形成折射率沿軸向周期性分布，從而形成一個(gè)反射式光纖光柵[10]。只有滿足布拉格條件的光波才能夠被光柵反射，其布拉格條件為：

[λB=2neffΛ] （1）endprint

式中：[λB]是FBG的反射波長(zhǎng)；[neff]表示光纖纖芯的有效折射率；[Λ]為FBG中光柵的折射率調(diào)制周期或者柵距。FBG反射的中心波長(zhǎng)[λB]只取決于[neff]和[Λ，]當(dāng)二者發(fā)生變化，中心波長(zhǎng)[λB]的變化表征為：

[ΔλBλB=Δneffneff+ΔΛΛ] （2）

當(dāng)FBG所處環(huán)境溫度恒定，只在外力場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生應(yīng)變變化量[Δε，]則[λB]也將發(fā)生漂移，漂移量與應(yīng)力變化關(guān)系為：

[ΔλB=λB（1-Pe）Δε] （3）

式中[Pe]表示FBG材料的有效彈光系數(shù)，可以定義為：

[Pe=n2effP2-μ（P1+P2）2] （4）

式中：[P1，][P2]為FBG材料的彈光系數(shù)；[μ]為FBG材料的泊松比。

1.2 FBG沉降傳感器的設(shè)計(jì)

FBG沉降傳感器的基本原理是將變電站沉降位移量的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)參數(shù)的變化。通過FBG沉降傳感器可以準(zhǔn)確地將沉降位移量轉(zhuǎn)換為作用在FBG上的拉應(yīng)力，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為光纖中傳輸?shù)墓鈱W(xué)參量，然后對(duì)傳輸光譜進(jìn)行解調(diào)，準(zhǔn)確地得到反射光中心波長(zhǎng)的變化量，最后通過測(cè)量反射光中心波長(zhǎng)的變化量，即可得到準(zhǔn)確的沉降位移量[11]。

基于變電站沉降測(cè)量的FBG傳感器，由一個(gè)高精密的拉伸彈簧和一個(gè)FBG以及連接部件構(gòu)成，F(xiàn)BG通過連接件一端與參考點(diǎn)相連，另一端與高精密彈簧相連。傳感器下端的連接件固定在變電站的設(shè)備上，上端的連接件固定到基準(zhǔn)平面上，作為位移參考點(diǎn)。參考點(diǎn)和沉降物根據(jù)沉降狀況發(fā)生相對(duì)位移，位移量通過連接部件的作用轉(zhuǎn)換成高精密拉伸彈簧的彈性伸長(zhǎng)量，彈簧的彈性伸長(zhǎng)產(chǎn)生拉應(yīng)力作用在FBG上。FBG沉降傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

拉伸彈簧的最大負(fù)荷、彈簧剛度、最大拉伸長(zhǎng)度決定了FBG沉降傳感器的測(cè)量范圍、分辨率和精度。最大拉伸長(zhǎng)度越大，沉降的測(cè)量量程范圍越大，彈簧剛度越小，則分辨率越高。彈簧和FBG線性度越穩(wěn)定，則沉降測(cè)量精度越高。但是當(dāng)沉降的位移量過大時(shí)，F(xiàn)BG可能會(huì)因?yàn)槌惺苓^大的應(yīng)變而發(fā)生斷裂。因此拉伸彈簧的最大負(fù)荷需要根據(jù)傳感器的性能需求來設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中選用的是LeeSpring公司標(biāo)準(zhǔn)定制的高精密拉伸彈簧，型號(hào)為L(zhǎng)E014B13，最大負(fù)荷為0.36 kg，彈簧剛度為0.001 3 kg/mm，最大拉伸長(zhǎng)度為339.34 mm。本文設(shè)計(jì)了量程為300 mm的光纖沉降位移傳感器，其測(cè)量分辨率達(dá)到0.784 93 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。各個(gè)模塊選擇如下。寬帶光源：由于SLED光源既具備LD光源輸出功率高的特點(diǎn)，又具備LED光源寬光譜的特點(diǎn)，且穩(wěn)定性好，所以系統(tǒng)中的寬帶光源采用型號(hào)為DL?BX9?CS5169A的SLED光源，中心波長(zhǎng)為1 550 nm，功率為17.6 mW，譜寬[12]為78.2 nm。

光譜分析儀：選擇日本安立光譜分析儀 MS9740A，波長(zhǎng)測(cè)試范圍為600～1 750 nm，波長(zhǎng)精度為±20 pm，最大輸入光功率為223 dBm。

3 dB耦合器：Thorlabs公司的型號(hào)為TW1550R5A2，工作波長(zhǎng)為1 550 nm，雙向耦合（任一端都可用作輸入端）。

FBG：杭州光佑科技有限公司，中心波長(zhǎng)為（1 550±0.2） nm，反射率≥85%，3 dB帶寬≤0.3 nm，邊模抑制比≥15 dB，柵區(qū)長(zhǎng)度為12 mm，光纖類型為SMF?28C。

實(shí)驗(yàn)過程如下：寬帶光源用于產(chǎn)生寬帶出射光，經(jīng)過3 dB耦合器后，有部分出射光耦合進(jìn)入FBG，F(xiàn)BG產(chǎn)生的反射光會(huì)再次進(jìn)入3 dB耦合器，同樣會(huì)有部分反射光耦合進(jìn)入光譜儀，通過光譜分析儀對(duì)FBG的反射光譜進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。FBG固定在應(yīng)力測(cè)試儀的平臺(tái)上，應(yīng)力測(cè)試儀可以設(shè)置拉應(yīng)力數(shù)值并對(duì)FBG產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力[13?16]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)選用3個(gè)FBG分別做10組拉應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，三組拉應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)分別是第一組：0～5 N，應(yīng)力間隔0.5 N；第二組：1.1～2.0 N，應(yīng)力間隔0.1 N；第三組：3.1～4 N，應(yīng)力間隔0.1 N。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中的數(shù)據(jù)是溫度保持在室溫（25 ℃）情況下采集的，F(xiàn)BG的中心放射波長(zhǎng)漂移量與軸向應(yīng)力呈很好的線性關(guān)系，通過線性擬合計(jì)算出拉力靈敏度系數(shù)為1.4 nm/N。同時(shí)對(duì)Lee Spring公司的標(biāo)準(zhǔn)定制的拉伸彈簧進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)。高精密拉伸彈簧型號(hào)為L(zhǎng)E014B13，實(shí)驗(yàn)測(cè)得最大負(fù)荷為0.56 kg，彈簧剛度為0.001 3 kg/mm，使用拉伸彈簧模擬變電站地基沉降的過程，對(duì)彈簧施加等值的拉力，記錄彈簧的拉伸量（即沉降量），具體數(shù)據(jù)如表2所示。

通過表2的數(shù)據(jù)分析可知，在彈簧的最大拉伸長(zhǎng)度內(nèi)，拉力與沉降位移量呈非常好的線性關(guān)系，經(jīng)過擬合計(jì)算可得沉降量與彈簧的拉力線性系數(shù)為78.493 mm/N。

為了提高對(duì)沉降位移量的測(cè)量精度和分辨率，繼續(xù)使用三軸位移平臺(tái)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其三軸測(cè)試平臺(tái)的位移分辨率可達(dá)到20 μm，經(jīng)過換算，其對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力的分辨率為0.01 N，該沉降傳感器的分辨率可提高10倍，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)漂移靈敏度為17.8 pm/mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得最小沉降位移分辨率為0.784 93 mm，此外最大的沉降測(cè)量范圍可以達(dá)到300 mm。如此高分辨率、高靈敏度FBG沉降傳感器完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站及其電氣設(shè)備的沉降位移的監(jiān)測(cè)。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于高精密的拉伸彈簧的光纖布拉格光纖光柵沉降傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)對(duì)沉降測(cè)量有良好的線性特性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，F(xiàn)BG沉降傳感器的位移分辨率為0.784 93 mm，靈敏度為17.8 pm/mm，沉降測(cè)量范圍可達(dá)到300 mm，通過定制不同的彈簧的自由拉伸長(zhǎng)度和彈簧的剛度可靈活改變傳感測(cè)量范圍和測(cè)量精度。該FBG傳感器可以用于基于分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)變電站沉降實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警。endprint

與現(xiàn)有的FBG應(yīng)力傳感器相比，本文設(shè)計(jì)的FBG沉降傳感器更加適合于變電站的沉降監(jiān)測(cè)。部分基于FBG的應(yīng)力傳感器能夠在微應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域有很好的靈敏度，但是能夠測(cè)量的應(yīng)變量極其微小，不適合用于沉降范圍較大的建筑。部分基于液壓原理的沉降傳感器安裝使用復(fù)雜、工作壽命短、對(duì)工作環(huán)境要求高，對(duì)變電站沉降積累時(shí)間長(zhǎng)、工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)不適應(yīng)。綜上所述，基于FBG的沉降傳感器在變電站和電氣設(shè)備的沉降監(jiān)測(cè)方面具有重要作用。

注：本文通訊作者為龐成鑫。

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