光纖光柵測溫技術在電氣設備中的應用研究

杜培東，張建華，鄭晶晶，王慶玲，韓永軍，岳新峰，劉玉紅

（1.國家電網公司甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730050；2.寧夏大唐國際大壩發電有限責任公司，寧夏銀川 750000；3.國家電網公司平涼供電公司，甘肅平涼 744099）

光纖光柵測溫技術在電氣設備中的應用研究

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.國家電網公司甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730050；2.寧夏大唐國際大壩發電有限責任公司，寧夏銀川 750000；3.國家電網公司平涼供電公司，甘肅平涼 744099）

針對電氣設備熱故障引起絕緣能力下降并導致擊穿，光纖光柵傳感器由于耐高溫、抗干擾性強、防水、遠距離光纖傳輸等特性得到廣泛應用，介紹了其在電力、鐵路、橋隧、發電等領域中的一些典型監測方案，基于某牽引變電所的現場試驗數據知：傳感器測溫分辨率0.1℃，誤差在±2℃之內，報警靈敏度高，說明該技術具有很高的可靠性和穩定性，對于高壓設備關鍵部位的絕緣監測具有很強的實用性。

光纖光柵；監測方案；現場試驗

1 原理簡介

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構。根據模耦合理論，λB=2nΛ的波長被光纖光柵所反射回去（其中λB為光纖光柵的中心波長，Λ為光柵周期，n為纖芯的有效折射率）。

反射的中心波長信號λB，跟光柵周期Λ，纖芯的有效折射率n有關，所以當外界的被測量引起光纖光柵溫度、應力改變都會導致反射的中心波長的變化。也就是說光纖光柵反射光中心波長的變化反映了外界被測信號的變化情況。光纖光柵的中心波長與溫度和應變的關系為[1]：

圖1 光纖光柵傳感器工作原理

圖2 傳感器反射波長變化曲線

傳感器的中心波長是通過光纖光柵傳感分析儀進行解調，轉換為數字信號[2]。其工作原理為：系統工作時，光纖光柵傳感分析儀內部光源發出連續的寬帶光，經光纜傳輸到監測現場布設的光纖光柵溫度傳感器，傳感器內部的測量敏感元件（光纖光柵）對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個窄帶光，經同一傳輸光纜返回到光纖光柵傳感分析儀內部探測器來測定各個傳感器所返回的不同窄帶光的中心波長，從而解析出各監測點的溫度值。由于多個傳感器所返回的窄帶光信號中心波長范圍不同，所以可以將這些傳感器串接組網實現多點同時測量，大大簡化了傳感器及引出線的布設，避免了以往逐點測量的不便。

2 電氣設備溫度監測方案

電氣設備絕緣故障及溫度過高經常發生在終端頭、觸頭等電氣、機械連接處，如表1所示。

表1 常見的供變電設備溫度異常位置統計

2.1 光纖光柵傳感器安裝步驟

（1）清潔被測物體表面

將被測物體表面的灰塵、鐵銹、污物等清理干凈，如果有條件可以用酒精棉擦拭。

（2）盤纖

根據實際情況，對于被測物體表面只能采用單端出光纜的測點位置，采用盤纖。將傳感器的其中一端光纜按照圖3所示盤纖，盤纖直徑不小于50 mm，盤完后，將兩端光纜并在一起，用絕緣膠帶分段捆扎，每段長度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，將感溫區涂上適量的導熱絕緣膠，安裝于被測物體表面。

圖3 傳感器盤纖方式

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測方案

（1）直線狀方式：被測溫對象為電纜、管道、隧道等時，直接把溫度傳感器布設在被測對象的外表面，并加以固定，有條件的地方，可將光纖嵌入到測溫對象的保護套內，實現一體化。監測方案如圖5。

圖5 直線安裝式監測方案

（2）立體方式：被測溫對象為變壓器、發電機定子等時，可把測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電機定子的線槽內。如圖6所示。

圖6 傳感器立體安裝方式

（3）星型拓撲結構方式：被測對象為開關柜等時，監測方案如圖7。

2.3 拓展應用

圖8為動態載流量分析系統（DRS）簡單示意圖，該系統接收來自OTS測量得到的電纜表面溫度、電纜環境溫度信息以及來自SCADA系統的電纜負載信息，采用實時熱模型和算法，將測量得到的溫度實時地轉換為導體溫度，同時計算分析動態額定載流量，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 星型拓撲式監測方案

圖8 動態載流量分析系統

3 應用分析

對某直接供電方式下220 kV牽引變電所電纜溫度監測系統，變壓器每相電纜安裝21個光柵傳感器（斷路器控制柜至變壓器二次側終端頭）如圖9，2號主變監測方案與1號主變相同。

為驗證光纖光柵測溫系統的可靠性，做兩種試驗，一是精確度試驗；對1～5處拐彎共計15個光纖溫度傳感器所實時顯示的溫度與便攜式Raynger 3i系列紅外測溫槍所測的溫度做對比，如圖10，兩者所測溫度基本相近，差值在±2℃之內；二是報警響應試驗；對電纜溝拐彎4-3處溫度傳感器用工業電吹風（最高溫度可達500℃）加熱，查看系統報警靈敏度及傳感器溫度變化曲線，如圖11，當加熱時，后臺監測系統顯示該點溫度迅速上升，由于系統是每分鐘采集一次溫度值，當后臺顯示溫度由60.4℃上升到65.9℃時（電纜溫度報警定值65℃），報警系統動作。這兩項試驗充分說明光纖光柵測溫技術能很好地反映電纜溫度的大小，對于負荷電纜、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相電纜溫度監測運行圖

圖10 光柵溫度與紅外槍溫度對比曲線

圖11 光柵傳感器加熱溫度變化曲線

4 結論

本文介紹了光纖光柵測溫技術應用在電纜終端頭、發電機組、開關柜等電氣設備中的監測方案及布線方式，基于某牽引變電所電纜溫度在線監測系統，由于變壓器正常運行，不選擇電纜終端頭，只對電纜溝1～5處拐彎共計15個光纖光柵溫度傳感器所實時顯示的溫度與便攜式Rangers 3i系列紅外測溫槍所測的溫度作對比試驗，結果表明兩者所測溫度基本相近，差值在±2℃之內；另外，對電纜溝拐彎4-3處溫度傳感器用工業電吹風加熱進行試驗，當采集溫度為65.9℃時（電纜溫度報警定值為65℃），聲光報警系統動作。這兩項試驗說明光纖光柵測溫技術能很好地反映電纜溫度的大小，通過對電氣設備關鍵部件運行溫度監測可有效地診斷其絕緣狀態，防止過熱導致絕緣擊穿或火災的發生。

［1］于強敏.分布式光纖測溫系統研究［M］.北京：北京航空航天大學出版社，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聚乙烯絕緣地下電纜故障檢測中的應用［J］.電網技術，1999，23（12）：36-38.

［3］馬國棟.電線電纜載流量［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［4］彭超，趙健康，苗付貴，等.分布式光纖測溫技術在線監測電纜溫度［J］.高電壓技術，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，甘肅靖遠人，碩士，工程師。研究領域：高壓電氣設備絕緣評估與狀態檢修。

(編輯：阮 毅)

2013－08－23