電力電纜光纖光柵實(shí)時(shí)在線測(cè)溫傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

祁耀斌，吳敢鋒，王月明

(武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430070)

電力電纜運(yùn)行溫度制約著高壓超高壓輸配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。電力電纜系統(tǒng)溫升，一方面來(lái)自電纜電阻的存在[1-2]。另一方面，高壓超高壓電力電纜架跨越高山峻嶺和江河湖泊，自然氣候?qū)τ陔娎|系統(tǒng)的安全運(yùn)行影響極大[3]。因此，為了安全運(yùn)行高壓超高壓輸電系統(tǒng)，迫切需要建立高壓超高壓電力電纜實(shí)時(shí)在線測(cè)溫度系統(tǒng)(HAEHVP-CTOMS)。目前，基于光纖溫度傳感器的電力電纜溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)(CTOMS-BOOFS) 因其具有測(cè)量精度高、測(cè)量距離范圍遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)正在成為研發(fā)熱點(diǎn)[4-8]。并已大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的變壓器、高壓開(kāi)關(guān)柜、電纜接頭等的溫度在線監(jiān)測(cè)[9-10]。現(xiàn)有光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多是對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)和故障點(diǎn)的檢測(cè)，不能滿(mǎn)足整個(gè)電力電纜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。結(jié)合電力電纜測(cè)溫要求，本文研發(fā)了用于電力電纜溫度實(shí)時(shí)測(cè)量的光纖光柵溫度傳感器，提出在 1根光纖線路上串接多個(gè)光纖光柵傳感器模塊，再通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)將模塊聯(lián)結(jié)起來(lái)，組成實(shí)時(shí)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于整條高壓超高壓電力電纜線路溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

1 光纖光柵測(cè)溫原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 光纖光柵測(cè)溫原理

根據(jù)FBG模式耦合理論，均勻非閃耀FBG可將其中傳輸?shù)囊粋€(gè)導(dǎo)模耦合到另一個(gè)沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模，從而形成窄帶反射，峰值反射布拉格波長(zhǎng)，公式如下：

式中：Λ為光柵周期；neff為光柵的有效折射率(折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng))。

對(duì)式(1)取微分，可以得到布拉格光柵波長(zhǎng)漂移

式中：ΔΛ為溫度引起的熱膨脹或者是軸向應(yīng)變對(duì)周期的影響；Δneff為溫度引起的熱光效應(yīng)或者是軸向應(yīng)變引起的彈光效應(yīng)對(duì)光纖纖芯有效折射率的影響。當(dāng)布拉格光柵處于沒(méi)有外力引起應(yīng)變的自然狀態(tài)時(shí)，如果溫度發(fā)生變化，光纖材料的熱光效應(yīng)會(huì)引起光纖纖芯有效折射率neff的變化，光纖材料的熱膨脹效應(yīng)會(huì)引起光柵周期Λ的變化。

式(1)對(duì)溫度取導(dǎo)數(shù)后再兩邊分別除以式(1)兩端，可得：

令

式中：ξ為光纖光柵折射率溫度系數(shù)，即光纖材料的熱光系數(shù)。若

式中：α為光纖的線性熱膨脹系數(shù)。

這樣，可將式(4)改寫(xiě)如下形式：

式(6)即為布拉格光柵溫度傳感的機(jī)理模型。可以看出，當(dāng)光纖光柵材料確定后，光纖光柵對(duì)溫度的靈敏度的系數(shù)基本上為一個(gè)與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)，這就在理論上保證了采用光纖光柵作為溫度傳感器可以得到很好的線性輸出。

若

其中：αT為光纖光柵溫度傳感器的靈敏度系數(shù)。則可得：

式(8)即為光纖光柵波長(zhǎng)變化與溫度變化的關(guān)系模型。根據(jù)這一模型，人們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)變化得到溫度變化。

1.2 測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)架

布拉格光柵分布式傳感系統(tǒng)是在一根光纖上串接多個(gè)具有不同光柵常數(shù)的布拉格光柵，寬帶光源所發(fā)射的寬帶光經(jīng)Y型分路器通過(guò)所有的布拉格光柵，每個(gè)布拉格光柵反射不同中心波長(zhǎng)的光，反射光經(jīng)Y型分路器的另一端口耦合進(jìn)解調(diào)儀。當(dāng)被測(cè)參量(如溫度)發(fā)生變化，通過(guò)解調(diào)儀探測(cè)反射光的波長(zhǎng)變化，就可以知道各個(gè)布拉格光柵處被測(cè)量的情況。

結(jié)合電力電纜溫度監(jiān)測(cè)實(shí)際要求，光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖1)可分為以下3層。

(1) 數(shù)據(jù)采集層：分布在電力電纜/接頭表面或電纜橋架上方的光纖光柵傳感器采集其表面溫度；

(2) 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層：通過(guò)傳輸光纜將光纖光柵傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)；

(3) 遠(yuǎn)程監(jiān)控層：將中間層監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)整理打包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架模型Fig.1 Optical fiber grating temperature on-line monitoring system structure model

2 光纖光柵傳感器封裝體優(yōu)化設(shè)計(jì)

光纖光柵溫度傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心是封裝體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合電力電纜測(cè)溫特點(diǎn)，光纖光柵溫度傳感器封裝優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.2 Optimum design of fiber Bragg grating sensor

2.1 封裝優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

光纖光柵溫度測(cè)量的工程規(guī)則包括溫度傳遞性，有一定機(jī)械強(qiáng)度，靈敏度高，線性度好，并且能克服一定的外界應(yīng)力場(chǎng)影響。由于光纖本身的特點(diǎn)，必須采用保護(hù)性封裝形式。裸光纖光柵溫度傳感器在沒(méi)有增敏條件下的靈敏度只有0.010 nm/℃，傳感器受到溫度作用時(shí)，光纖光柵的反射波長(zhǎng)變化較小，不能直接將其用于實(shí)際工程中。在工程測(cè)量中，需要將布拉格光柵進(jìn)行增敏封裝設(shè)計(jì)。由式(8)可以看出：光纖光柵溫度靈敏度與材料的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。當(dāng)FBG被牢固地粘接在或埋置于另一種材料中，則這種材料的形變和熱膨脹通過(guò)應(yīng)力對(duì)FBG起作用，引起光柵周期的改變，利用這種特性可以提高FBG的溫度靈敏度。

封裝后FBG的溫度響應(yīng)為：

式中：Pe為有效彈光系數(shù)；sα為基底材料的熱膨脹系數(shù)。由式(9)可看出，選擇熱膨脹系數(shù)較大的基底材料可以提高傳感器的靈敏度。封裝后的FBG溫度傳感器靈敏度僅與FBG自身材料和封裝材料性能有關(guān)，與外界溫度變化無(wú)關(guān)，即溫度傳感性能在熱應(yīng)力作用下仍然保持線性關(guān)系。保證靈敏度的方法是提高溫度測(cè)量線性度，因此封裝優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是提出溫度測(cè)量的線性度。

溫度和應(yīng)力是影響光纖光柵傳感器波長(zhǎng)偏移的主要因素，對(duì)于光纖光柵溫度傳感器，克服外界應(yīng)力的影響是必須考慮的。光纖光柵電力電纜的測(cè)溫，主要的外界應(yīng)力來(lái)自電力電纜的微彎(見(jiàn)圖3)。

建立圖4所示的坐標(biāo)系，ds為微段弧長(zhǎng)，dx為微段坐標(biāo)長(zhǎng)，dl微段斜邊長(zhǎng)，θ為dl和dx所成夾角。

圖3 電纜微彎模型Fig.3 Model of microbend cables

圖4 電纜微彎數(shù)學(xué)模型Fig.4 Mathematical model of microbend cables

在一小段微彎弧上，ds可近似于dl，因此

當(dāng)微段足夠小時(shí)，θ→0，c o sθ→ 1 ，dx/ ds→1即微段弧長(zhǎng)和微段坐標(biāo)是同階無(wú)窮小，所以此時(shí)微段基本不受微彎的影響。本文傳感器的形狀為薄條狀，尺寸為40 mm×10 mm(長(zhǎng)度×寬度)，相對(duì)于一般截面積2 500 mm2、長(zhǎng)度2 km的電纜，可以近似等價(jià)于圖4中的數(shù)學(xué)模型，即電纜微彎不會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生影響。從物理上講，可建立重力作用下的架空電纜微彎模型(見(jiàn)圖5)，其中，l1為電纜長(zhǎng)度；l2傳感器長(zhǎng)度。電纜保持剛度條件可以表示如下：

式中：ω為電纜微彎的繞度；[]δ為許用繞度。對(duì)于工程常用的架空管道，

而對(duì)于傳感器部分或電纜一小段微彎部分而言，

圖5 電纜微彎物理模型Fig.5 Physical model of microbend cables

傳感器長(zhǎng)度為40 mm，所以，

顯然，式(13)滿(mǎn)足式(11)，所以對(duì)傳感器部分或電纜一小段微彎部分滿(mǎn)足剛度條件。

2.2 封裝方法及優(yōu)化目標(biāo)

由此，開(kāi)發(fā)了熱膨脹系數(shù)較大的薄片鋁板作為基底材料的FBG傳感器。首先對(duì)FBG進(jìn)行預(yù)張和固化，接著把FBG套入石英管中，兩端用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，然后把石英管放在薄片鋁板的凹槽中，石英管底部用耐高溫膠封裝固定于凹槽中。傳感器的形狀為薄條狀，尺寸為40 mm×10 mm，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于在電力電纜接頭進(jìn)行固定安裝，并且可以線性提高光纖光柵的伸縮量，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。這種封裝的FBG傳感器具有較好的線性度，其熱靈敏度為裸光纖光柵的3.5倍，測(cè)量精度大大提高，并且能克服外界環(huán)境(如光纖光柵傳感器的微彎)的影響，適合在電力電纜上應(yīng)用。

光纖光柵傳感器封裝體優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：(1) 溫度傳遞及封裝保護(hù)。通過(guò)選擇鋁片為基底封裝材料、基體尺寸為40 mm×10 mm的片式封裝方法；(2) 提高線性度。根據(jù)式(10)，提高KT的同時(shí)，并保持KT為常數(shù)；(3)克服外界應(yīng)力場(chǎng)：根據(jù)式(11)和式(12)，實(shí)現(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)和尺寸小型化。

圖6 拉伸式光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)Fig.6 Tensile optical fiber grating temperature sensor structure

3 拉伸式光纖光柵溫度傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)水域?qū)嶒?yàn)

將經(jīng)過(guò)拉伸后的光纖光柵溫度傳感器放在標(biāo)準(zhǔn)水域儀中進(jìn)行試驗(yàn)，從低溫到高溫對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，每次待水域溫度完全恒定后，用水銀溫度計(jì)測(cè)試當(dāng)前的水域溫度并與此刻光纖光柵溫度傳感器視值進(jìn)行對(duì)比。

將光纖光柵傳感器不同時(shí)刻的波長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)溫度關(guān)系(見(jiàn)表1)繪制成曲線(見(jiàn)圖7)。由圖7可以看出，經(jīng)過(guò)增敏封裝后的光纖光柵溫度傳感器從低溫到高溫，依然能夠保持良好的線性度。

將表1中任意一時(shí)刻的光纖光柵傳感器的溫度視值與對(duì)應(yīng)水銀溫度計(jì)刻度值及其誤差繪制成曲線(見(jiàn)圖8)。由圖7和圖8可知，拉伸式光纖光柵溫度傳感器在保持良好線性度的同時(shí)，其測(cè)溫精度大大提高，基本上可以保持在±0.7 ℃以?xún)?nèi)。

表1 拉伸式光纖光柵溫度傳感器水域試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Tensile optical fiber grating temperature sensor experimental date in waters

圖7 拉伸式光纖光柵溫度傳感器線性曲線Fig.7 Tensile optical fiber grating temperature sensor linear curve

圖8 拉伸式光纖光柵溫度傳感器溫度誤差曲線Fig.8 Tensile optical fiber grating temperature sensor error curve

4 電纜微彎對(duì)光纖光柵測(cè)溫的影響

由于光纖光柵測(cè)溫探頭需要敷設(shè)在高壓電纜及接頭的外護(hù)套表面進(jìn)行測(cè)量，因此光柵就必須能滿(mǎn)足電纜平直和彎曲等各種形狀的敷設(shè)要求，故電纜微彎對(duì)光柵溫度測(cè)量值的影響也有必要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

在電纜實(shí)驗(yàn)室戶(hù)外，截取一段便于彎曲的無(wú)鎧高壓電纜，然后在電纜表面均勻布置4只拉伸光纖光柵測(cè)溫探頭。光柵測(cè)溫探頭采用特殊加工的絕緣膠木條做表面保護(hù)，絕緣膠木條內(nèi)涂導(dǎo)熱硅脂，再用絕緣膠帶將絕緣膠木條和探頭捆扎在電纜上，沿4個(gè)不同方位彎曲電纜，采用便攜式解調(diào)器讀取4只光柵測(cè)溫探頭彎曲前后的波長(zhǎng)，并依次記錄4只光柵測(cè)溫探頭的波長(zhǎng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及波長(zhǎng)變化值綜合分析，同時(shí)考慮到試驗(yàn)期間環(huán)境溫度的變化(±0.5 ℃對(duì)應(yīng)傳感器波長(zhǎng)變化為±0.014 nm)以及便攜式解調(diào)器本身也存在儀表誤差(±0.005 nm的波動(dòng))，可見(jiàn)：在本次試驗(yàn)條件下，電纜微彎并未對(duì)光柵測(cè)溫探頭的測(cè)量值造成任何影響，說(shuō)明該種封裝形式的探頭比較適合于在電力領(lǐng)域應(yīng)用。

5 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證光纖光柵電力電纜測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)用性。特選定某超高壓電纜實(shí)驗(yàn)室戶(hù)外場(chǎng)進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)。該戶(hù)外場(chǎng)有若干段長(zhǎng)約200 m的220 kV被測(cè)電力電纜，經(jīng)模擬電纜區(qū)、戶(hù)外場(chǎng)、電纜隧道、模擬工井及地埋等區(qū)域。所有被測(cè)電纜及接頭均要求安裝光纖光柵溫度傳感器，其間隔為2～3 m，在安裝光纖光柵傳感器的部位同時(shí)裝有熱電偶進(jìn)行測(cè)溫對(duì)比。由于高壓電纜需要反復(fù)加熱實(shí)驗(yàn)，對(duì)溫度的一致性和精度要求較高，考慮到傳統(tǒng)的電信號(hào)傳感器具有測(cè)溫精度高、反應(yīng)快的特點(diǎn)，在電纜外護(hù)套敷設(shè)光纖光柵傳感器的地方同時(shí)安裝高精度的熱電偶進(jìn)行測(cè)溫對(duì)比。將被測(cè)高壓電纜進(jìn)行循環(huán)加熱試驗(yàn)，并記錄連續(xù)運(yùn)行1周的數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取高壓電纜3個(gè)不同部位的3個(gè)光纖光柵傳感器(光柵03、光柵04、光柵05)，將其溫度數(shù)據(jù)繪成曲線(如圖9所示)。隨機(jī)選取同一點(diǎn)上的2個(gè)光纖光柵傳感器(模擬回路光柵溫度點(diǎn)21、模擬回路光柵溫度點(diǎn)22)和1個(gè)熱電偶溫度傳感器(模擬回來(lái)熱電偶溫度點(diǎn)28)，將其溫度數(shù)據(jù)繪成曲線(如圖10所示)。

分析以上曲線可知：無(wú)論是在低溫環(huán)境還是相對(duì)高溫區(qū)，在電纜表面的光纖光柵測(cè)溫探頭一致性比較好，且和熱電偶的溫度測(cè)試曲線比較吻合，最大溫差保持在1 ℃以?xún)?nèi)。目前，此套電力電纜光纖光柵實(shí)時(shí)在線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目，分辨率達(dá)0.1 ℃，精確度達(dá)±0.5 ℃，測(cè)溫范圍可達(dá)-30～200 ℃。

表2 實(shí)測(cè)波長(zhǎng)Table 2 Actual measured wavelength nm

表3 波長(zhǎng)變化值Table 3 Wavelength change values nm

圖9 電纜不同部位的光纖光柵測(cè)溫曲線Fig.9 Fiber Bragg grating temperature curve in different parts of cable

圖10 光纖光柵與熱電偶測(cè)溫對(duì)比曲線Fig.10 Temperature contrast curve between fiber Bragg grating and thermocouple

6 結(jié)論

(1) 通過(guò)水域試驗(yàn)和微彎試驗(yàn)，驗(yàn)證了電力電纜光纖光柵實(shí)時(shí)在線測(cè)溫傳感器封裝體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性。在提高傳感器的靈敏度的同時(shí)，可克服外界應(yīng)力場(chǎng)的干擾，并保持較好線性度。

(2) 通過(guò)和傳統(tǒng)熱電偶電力電纜測(cè)溫系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了電力電纜光纖光柵實(shí)時(shí)在線測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)用性。

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