張操 彭志敏 魏逸飛 藏亮 徐昊源

摘 要：針對高壓開關(guān)柜溫度過熱問題，提出使用光纖光柵溫度傳感器實時在線監(jiān)測方法，通過基于相位掩模板技術(shù)研究光纖制備前載氫、制備時光纖兩端預(yù)拉力、制備后的退火工藝對光纖光柵傳感器的光譜特性參數(shù)的影響規(guī)律，并且開展了制備后光纖光柵傳感器性能測試，實驗驗證光纖光柵傳感器測溫具有較高的穩(wěn)定性和精確性，光纖光柵溫度傳感器為高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;光纖光柵;性能測試;溫度

Abstract：Aiming at the overheating problem of high-voltage switchgear，a real-time online monitoring method using fiber grating temperature sensor is proposed.Based on the phase mask technology，the hydrogen loading before fiber preparation，the pre-tension at both ends of the fiber during preparation，and the annealing process after preparation are used to study the effect of fiber grating sensor on the fiber grating sensor.The influence law of the spectral characteristic parameters，and the performance test of the fiber grating sensor after preparation has been carried out.The experiment verifies that the fiber grating sensor has high stability and accuracy in temperature measurement，which provides a theoretical basis for the fiber grating temperature sensor to monitor the temperature of the high-voltage switchgear.

Keywords：High voltage switch cabinet;fiber grating;performance test;temperature

1 概述

隨著智能電網(wǎng)、超高壓電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大以及電力設(shè)備數(shù)量的急劇增長等因素，使得電力需求保持剛性增加，對火電機組的供電系統(tǒng)要求也在不斷提高。高壓開關(guān)柜作為火電機組系統(tǒng)運行的重要組成部分，其運行可靠性直接關(guān)系電力生產(chǎn)安全。高壓開關(guān)柜在運行過程中，由于電氣設(shè)備故障等原因會引起開關(guān)柜內(nèi)部溫度過高，進而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[1-3]。據(jù)當(dāng)前情況來看，在實際工業(yè)當(dāng)中實時監(jiān)測開關(guān)柜溫度能減少人工巡檢成本、降低人工誤判帶來的嚴重后果;由于開關(guān)柜是將多個電氣設(shè)備集中在一起的組合設(shè)備，其內(nèi)部某些關(guān)鍵位置人工無法巡檢，且開關(guān)柜處于高電壓，強磁場的環(huán)境下，對開關(guān)柜進行溫度監(jiān)測能夠提前預(yù)估溫度，以免過高引起的災(zāi)害事故，保障生產(chǎn)安全[4]。因此實時監(jiān)測開關(guān)柜的溫度很有必要。

光纖光柵溫度傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、本質(zhì)安全、體積小、易組網(wǎng)、測量靈敏度高等優(yōu)點，非常適合電力開關(guān)設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境下溫度測量[5]。因此本文以光纖光柵溫度傳感器作為溫度感知探頭植入開關(guān)設(shè)備中實時監(jiān)測開關(guān)柜溫度，研究采用相位掩模板法刻寫光纖光柵溫度傳感器時的刻寫參數(shù)對光纖光柵傳感器的影響規(guī)律。

2 實驗和分析

光柵刻寫過程中的一些制作工藝因素會影響光柵的光譜特性參數(shù)，通過搭建基于相位掩模板法的光纖光柵制備平臺，實驗研究了載氫，光纖配重以及退火時間對光纖光柵光譜特性參數(shù)的影響規(guī)律。系統(tǒng)實驗平臺如圖1所示：

2.1 光柵制備工藝

2.1.1 載氫

光柵的刻寫是光致折射率變化的過程，普通摻鍺單模光纖的光敏性較低，紫外直接光照射光纖時，折射率調(diào)制深度到10-5量級時已接近飽和，刻寫相對困難。提高光纖光敏性的方法主要有：

（1）載氫。氫分子擴散到纖芯內(nèi)部，當(dāng)光纖受到紫外曝光時，氫分子與鍺發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成O-H鍵，光照部分的相位空間發(fā)生永久性改變，其折射率增加，該方法應(yīng)用廣泛[6]。

（2）硼鍺摻雜。硼鍺共摻增加光纖光敏性是使用較多的方法之一，大量元素的摻雜能夠提高光纖對紫外光的吸收，導(dǎo)致纖芯內(nèi)部折射率發(fā)生改變[7]。

（3）氫氧焰處理。F.Bilodeau等人在高壓載氫的基礎(chǔ)上，采用氫氧燃燒火焰灼燒光纖接受紫外曝光的位置來加速氫在光纖中擴散速度，溫度高達1700℃，其弊端是高溫可能導(dǎo)致光纖內(nèi)部的性能破壞，光柵使用有效性存在隱患[8]。

其中，載氫是易操作，成本低且較有效的增敏技術(shù)，對任何摻鍺光纖都適用。實驗中在室溫（20℃～25℃）環(huán)境下將G652光纖放入高壓載氫罐中兩周，依次調(diào)整載氫罐壓力為5MPa、7MPa、10MPa、12MPa，載氫結(jié)束后，使用光柵刻寫系統(tǒng)對光纖進行紫外曝光后檢測載氫效果，測得其反射率變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可以看出，載氫壓力越大，纖芯內(nèi)部含氫量越高刻寫時得到的光反射率越高。當(dāng)載氫壓力小于10MPa時，載氫兩周后的反射率低于85%，不符合光柵使用時的工程實際。當(dāng)大于10MPa時，載氫兩周后的反射率大于工程實際需求的85%，考慮安全和成本問題，載氫時可選擇在室溫下（20℃～25℃）以壓力10MPa放置兩周。

2.1.2 預(yù)拉力

使用波長為1540.732nm的G652單模光纖，在10MPa室溫下載氫14天制備載氫光纖，之后將光纖使用工具剝?nèi)ゼs15mm的涂覆層，放在光纖調(diào)整架上，用兩端的光纖夾具夾住，通過位移臺調(diào)整掩模板，保證光纖需平行于掩模板，并且掩模板位于裸纖的中央位置。在相位掩模板法的光柵刻寫工藝中，光纖兩端的預(yù)拉力影響光柵的折射率調(diào)制，設(shè)置激光器的光源脈沖評頻率為10Hz，調(diào)整光路使光斑的寬度為10mm。使光纖的一端連接光譜儀檢測光柵的中心波長變化情況，其他條件不變，分別增加光纖兩端的配重5～75g，每次增加5g，得到光纖兩端預(yù)拉力對光柵中心波長的影響規(guī)律如圖3所示：

2.1.3 退火

紫外光照射載氫光纖后，在光纖內(nèi)部生成一些不穩(wěn)定化學(xué)鍵以及殘留的未參與化學(xué)反應(yīng)而游離的氫分子，會影響光柵折射率調(diào)制深度，不利于光纖光柵傳感器的長期使用穩(wěn)定性。通過退火工藝對光柵熱處理，能夠較快清除光纖內(nèi)的不穩(wěn)定化學(xué)鍵以及游離的氫分子，使光纖光柵傳感器處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。對波長為1540.732nm的G652單模光纖照射成柵后分別在120℃、150℃、180℃、210℃、240℃下進行退火實驗，退火溫度和時間對光柵反射率的影響規(guī)律如表1所示：

由表1可知，溫度越高，反射率穩(wěn)定所需時間越短，但反射率下降越多，不利于光纖光柵的技術(shù)性能穩(wěn)定。綜合考慮光柵退火溫度應(yīng)選擇150℃，所需時間8小時。

2.2 光纖性能測試

2.2.1 標定實驗

選擇零度中心波長為1536.723nm的光纖光柵溫度傳感器作為測試樣品，將光纖光柵溫度傳感器固定在恒溫裝置表面，開展光纖光柵溫度傳感器標定實驗。設(shè)置溫度范圍為30℃～100℃，間隔5℃，經(jīng)解調(diào)儀獲取波長值在上位機軟件中顯示，將溫度與對應(yīng)的波長值記錄下來，并計算不同溫度下的光柵波長與零度波長之間的偏移量，得到的數(shù)據(jù)如表2所示，中心波長偏移量和溫度的關(guān)系如圖4所示。

由表3可知30℃、60℃和90℃時標準差在0.06℃左右，120℃時標準差約為0.15℃，與此之前的溫度相比，其離散程度相對較大。

通過溫度梯度圖、示值誤差、標準差對傳感器標定的結(jié)果分析可得傳感器的測溫結(jié)果穩(wěn)定性好，精度高，滿足傳感器測溫的要求。

結(jié)語

本文采用相位掩模板法研究光柵刻寫前的載氫壓力以及光柵刻寫時光纖兩端預(yù)拉力、退火溫度和壓力對光柵寫制參數(shù)的影響規(guī)律，并測試刻寫的光柵性能，得出如下結(jié)論：

（1）在室溫（20℃～25℃）環(huán)境下，載氫壓力大于等于10MPa，時間兩周的光纖增敏工藝。

（2）光柵刻寫時，光纖兩端打的預(yù)拉力越大，刻寫速度越快，且預(yù)拉力越大，當(dāng)光纖恢復(fù)原狀時，折射率調(diào)制周期越小，導(dǎo)致中心波長越小。因此刻寫的波長偏小時，可以采用增加光纖兩端的預(yù)拉力來實現(xiàn)。

（3）光柵刻寫后通過退火可以較快使光纖光柵傳感處于穩(wěn)定狀態(tài)，退火時應(yīng)設(shè)置150℃，所需時間8小時。

（4）選取中心波長為1536.723nm的傳感器作為測試樣本，對光纖光柵傳感進行溫度標定并對測溫結(jié)果進行誤差分析。通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出中心波長1536.723nm的傳感器的中心波長漂移量與溫度關(guān)聯(lián)性較強，擬合優(yōu)度R2=0.99969。測溫實驗中，測溫點示值誤差在1℃以內(nèi)，標準差小于0.15℃，表明光纖光柵溫度傳感器測溫具有較高的穩(wěn)定性和精確性。

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作者簡介：張操（1985— ），男，漢族，寧夏銀川人，本科，中級工程師，寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)備管理部部長助理兼電氣室主任，研究方向：電氣設(shè)備檢修技術(shù)。

*通訊作者：彭志敏（1981— ），男，漢族，北京市人，博士，副教授，研究方向：測試計量技術(shù)及儀器。