基于光纖光柵的GIS導(dǎo)體溫度巡檢方法與裝置

孫國(guó)霞 關(guān)向雨 舒乃秋 孔令明 金向朝 謝志楊

基于光纖光柵的GIS導(dǎo)體溫度巡檢方法與裝置

孫國(guó)霞1,2關(guān)向雨1舒乃秋1孔令明1金向朝2謝志楊2

（1．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072 2．廣東電網(wǎng)公司佛山供電局 佛山 528000）

針對(duì) GIS設(shè)備導(dǎo)體溫度監(jiān)測(cè)和回路過熱性故障預(yù)防，在分析光纖光柵測(cè)溫原理和成像解調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的 GIS導(dǎo)體溫度巡檢方案。通過現(xiàn)場(chǎng)溫升試驗(yàn)建立了 GIS導(dǎo)體溫度測(cè)量模型并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定了 GIS導(dǎo)體溫度過熱性故障判據(jù)。研制了可應(yīng)用于不同 GIS母線溫度測(cè)量的便攜式巡檢裝置，設(shè)計(jì)了溫度巡檢裝置的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)備工作穩(wěn)定，測(cè)溫精度高，對(duì)于保障 GIS設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。

GIS母線 便攜式 光纖光柵 溫度巡檢

1 引言

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）導(dǎo)電回路中包含大量插接式觸頭，如母線連接點(diǎn)、閉合狀態(tài)下的斷路器和隔離開關(guān)觸頭等。由于在安裝過程中存在裝配公差和施工時(shí)的粗大誤差，某些電氣接點(diǎn)存在對(duì)接不同心、插入深度不足等隱患，在設(shè)備運(yùn)行過程中由于對(duì)接處接觸性能的退化引起接觸電阻增大并導(dǎo)致觸點(diǎn)異常溫升，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致母線接頭燒毀并引發(fā)短路事故。隨著大量新GIS設(shè)備投入運(yùn)行于較早投運(yùn)設(shè)備的老化，這類 GIS接頭過熱性故障發(fā)生頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[1-2]。因此開展對(duì)GIS母線接頭的溫度監(jiān)測(cè)，預(yù)防過熱性故障是十分必要的。

傳統(tǒng)預(yù)防GIS導(dǎo)電回路過熱性故障的方法包括設(shè)備安裝后的回路電阻測(cè)量和紅外測(cè)溫兩種方法[3-8]。回路電阻測(cè)量能夠知道測(cè)量回路整體的接觸情況，但無(wú)法知道回路內(nèi)觸點(diǎn)接觸電阻的分布，因而很難發(fā)現(xiàn)潛在的接觸隱患；紅外測(cè)溫精度較低，且受使用環(huán)境和使用距離的影響很大，無(wú)法測(cè)量?jī)?nèi)部的導(dǎo)體溫度，也難以對(duì)多個(gè)觸點(diǎn)的溫度實(shí)施分布式測(cè)量。

光纖光柵溫度傳感器是一種無(wú)源溫度傳感器件，與傳統(tǒng)的電測(cè)法相比較，具有信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、抗電磁干擾，測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)開始廣泛應(yīng)用于諸如變壓器和斷路器的溫度監(jiān)測(cè)中[9~10]。基于以上優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種基于光纖光柵測(cè)溫原理的GIS母線溫度巡檢方案，研制了便攜式GIS母線導(dǎo)體溫度巡檢設(shè)備。

2 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵是一種通過一定方法使纖芯折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，主要有布拉格光柵、啁啾光柵、長(zhǎng)周期光柵等類型[11]。其傳感原理如圖1所示，當(dāng)入射光經(jīng)過FBG時(shí)，滿足Bragg反射條件的波長(zhǎng)λB的單色光被反射回入射端，其余光透射。當(dāng)光纖周圍的溫度或應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光纖纖芯折射率和光柵周期的變化，從而使光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，通過檢測(cè)布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)的情況，即可獲得待測(cè)溫度或應(yīng)力變化。

圖1 光纖光柵傳感原理Fig.1 Schematic diagram of fiber bragg grating sensor

根據(jù)耦合模理論，光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)可表示為

式中：neff為纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。

假設(shè)光纖光柵的應(yīng)力場(chǎng)保持穩(wěn)定，反射光中心波長(zhǎng)僅受溫度場(chǎng)影響。對(duì)式（1）進(jìn)行微分運(yùn)算可得反射波長(zhǎng)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

式中，α為裸光柵熱膨脹系數(shù)；ξ為裸光柵熱光系數(shù)。光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)為恒定值，因此反射光的波長(zhǎng)變化與溫度變化成線性關(guān)系。

3 GIS母線溫度測(cè)量模型

由于GIS設(shè)備的導(dǎo)電回路均安裝在密封的金屬殼體內(nèi)，考慮內(nèi)部絕緣和氣密性，溫度傳感器不能直接置于導(dǎo)體上測(cè)量，文獻(xiàn)[12]研究了 GIS母線設(shè)備的內(nèi)外溫度場(chǎng)分布，表明在GIS外殼上溫度的變化可以反映導(dǎo)體的溫度變化，為了研究?jī)?nèi)外溫度分布對(duì)應(yīng)的空間關(guān)系，進(jìn)行了GIS母線實(shí)際模型的溫升實(shí)驗(yàn)。鉑電阻溫度傳感器安裝在觸頭外緣母線上管壁上，如圖2所示，通過氣密的端子排與外部測(cè)試設(shè)備連接，裝置內(nèi) SF6氣壓 0.4MPa，采用大電流發(fā)生器提供負(fù)荷電流，試驗(yàn)在封閉空間中進(jìn)行盡量減小環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響。對(duì)試樣分別施加不同負(fù)荷電流，待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后記錄溫度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。

圖3 導(dǎo)體溫升與外殼溫升Fig.3 Temperature rise of conductor and tank

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)GIS導(dǎo)體溫度上升時(shí)，外殼對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度也會(huì)升高，兩者存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以通過對(duì)外殼溫度推導(dǎo)母線和接頭的溫度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定三相共箱GIS母線溫度與外殼溫度的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng) GIS的實(shí)際結(jié)構(gòu)，GIS母線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為4個(gè)通道，包括60個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每15只不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵溫度傳感器相互之間串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)測(cè)溫通道。3個(gè)通道分別用于不同間隔A相、B相和C相的溫度監(jiān)測(cè)，每個(gè)通道的測(cè)點(diǎn)包括觸頭和導(dǎo)體，其中觸頭測(cè)點(diǎn)位于正對(duì)觸指的外殼上，導(dǎo)體測(cè)點(diǎn)位于正對(duì)母線中段的外殼上。第4通道懸空用于監(jiān)測(cè)各間隔對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

便攜式GIS母線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器陣列、寬帶光源、光開關(guān)、光耦合器、體相位光柵（VPG）、線陣探測(cè)器（InGaAs）、AD模塊、DSP處理模塊、存儲(chǔ)模塊及工控機(jī)組成。圖4為系統(tǒng)硬件原理框圖。

圖4 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.4 Block diagram of system hardware

如圖4所示，GIS導(dǎo)體分布式測(cè)溫基于波分復(fù)用技術(shù)與空分復(fù)用技術(shù)[13-14]獲得盡可能多的測(cè)溫點(diǎn)，由不同中心波長(zhǎng)組成的 FBG溫度傳感器陣列布置在GIS管壁測(cè)溫點(diǎn)。利用光開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同通道傳感器陣列的切換。寬帶光源發(fā)出的光進(jìn)入特定通道的光纖光柵傳感器陣列后，當(dāng)入射光與光纖光柵傳感器反射波的中心波長(zhǎng)完全匹配時(shí)，光纖光柵傳感器都會(huì)向光耦合器反射與之唯一對(duì)應(yīng)的反射光，反射光再經(jīng)耦合器進(jìn)入解調(diào)模塊。在解調(diào)模塊中，體相位光柵（VPG）將反射光進(jìn)行空間分波處理并將反射光按光強(qiáng)信號(hào)區(qū)域劃分；線陣探測(cè)器（InGaAs）可探測(cè)到不同光強(qiáng)的反射光信號(hào)，并將該光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出具有一定幅值的電信號(hào)；然后送入數(shù)字信號(hào)處理器控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理完畢后，上傳數(shù)據(jù)到觸摸液晶屏顯示，并通過存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 光纖光柵溫度傳感器研制

裸光柵靈敏度較低，約為10pm/℃，無(wú)法滿足GIS母線導(dǎo)體的測(cè)溫要求。因此將裸光柵進(jìn)行增敏封裝[15~16]，其方法為：將光纖光柵預(yù)拉伸后鍍金，采用剛性焊接的方法將光纖光柵固定在鋁合金基底上，依靠鋁合金較大的熱膨脹系數(shù)以提高光纖光柵傳感器的靈敏度，研制成功的光纖光柵溫度傳感器如圖5所示，封裝后的波長(zhǎng)溫度關(guān)系如式（5）所示

式中，Pe為光纖的有效彈光系數(shù)，αs表示封裝材料的熱膨脹系數(shù)，αs＞α。

圖5 鋁合金增敏光纖光柵溫度傳感器Fig.5 Aluminum alloy sensitization FBG sensor

4.3 波長(zhǎng)解調(diào)模塊

設(shè)備采用基于體相位光柵（VPG）和線陣（（In-GaAs）圖像傳感器的成像法波長(zhǎng)解調(diào)方案[17~21]，與常規(guī)解調(diào)方案相比，具有體積小、功耗低、重復(fù)性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合便攜式測(cè)溫場(chǎng)合。波長(zhǎng)解調(diào)模塊包括光路部分與電路部分。

光路部分采用Bayspec公司生產(chǎn)的VPG單元和SONY公司生產(chǎn)的線陣探測(cè)單元，其中準(zhǔn)直透鏡的作用將從光纖光柵陣列反射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄猓M(jìn)入VPG后不同波長(zhǎng)的光被分開照射在線陣探測(cè)器的不同位置上，線陣探測(cè)器通過掃描將入射在光敏面的反射光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為 16進(jìn)制電信號(hào)，并按時(shí)序串行輸出到DSP。

線陣探測(cè)器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)包含了探測(cè)器上所有像素點(diǎn)上光照強(qiáng)度的無(wú)量綱功率值。解調(diào)單元通過相關(guān)的解調(diào)算法將無(wú)量綱的光功率值轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱的反射光中心波長(zhǎng)值與無(wú)量綱的中心波長(zhǎng)偏移量，前者對(duì)應(yīng)特定的FBG溫度傳感器，后者對(duì)應(yīng)該傳感器溫度變化量。解調(diào)處理單元采用DSP+ARM的雙處理器結(jié)構(gòu)，其中DSP采用TMS320VC33，主要負(fù)責(zé)將線陣探測(cè)器轉(zhuǎn)出的無(wú)量綱的光功率值通過高斯擬合解調(diào)為無(wú)量綱的波長(zhǎng)值和峰值功率，ARM采用低功耗的 STM32F103ZET6，主要負(fù)責(zé)將無(wú)量綱的波長(zhǎng)值和峰值功率發(fā)送到上位機(jī)運(yùn)算并控制光開關(guān)的通道切換。ARM 與 DSP之間通過 Dual RAM CY7C026進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

DSP與ARM的通信協(xié)議采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制，在Dual RAM中設(shè)置DAT和CMD兩個(gè)字段存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀寫控制信息，經(jīng)DSP解算的無(wú)量綱波長(zhǎng)值和峰值功率存儲(chǔ)在DATA字段。其中ARM只能寫入CMD字段，讀取DAT和DATA字段，DSP只能讀取CMD字段，寫入DAT和DATA字段，波長(zhǎng)解調(diào)流程如圖6所示。

圖6 波長(zhǎng)解調(diào)流程圖Fig.6 Flow chart of wavelength demodulation

波長(zhǎng)解調(diào)采用基于高斯擬合的尋峰算法，由DSP運(yùn)算完成，將線陣探測(cè)器解算單元中存儲(chǔ)的 16進(jìn)制無(wú)量綱光功率值轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱的光波長(zhǎng)值與峰值功率值。由 ARM 將無(wú)量綱的光波長(zhǎng)值轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)值與峰值功率，并計(jì)算兩次采樣間隔內(nèi)光波長(zhǎng)的偏移量。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GIS母線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分包括波長(zhǎng)解調(diào)算法和人機(jī)交互界面兩部分。其中波長(zhǎng)解調(diào)算法采用 C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程，由 DSP完成運(yùn)算并通過依靠事件驅(qū)動(dòng)的通信規(guī)約發(fā)送給ARM。人機(jī)交互界面在WINDOWS環(huán)境下采用VB.NET開發(fā)，系統(tǒng)模塊主要包括：傳感器參數(shù)配置、采集控制、波長(zhǎng)—溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障診斷以及歷史數(shù)據(jù)查詢等。

上位機(jī)軟件功能模塊如圖7所示，傳感器設(shè)置模塊設(shè)置GIS母線溫度不同測(cè)點(diǎn)的光纖光柵溫度傳感器標(biāo)定參數(shù)；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)讀取 ARM 發(fā)送的反射光波長(zhǎng)信息和光功率信息，波長(zhǎng)溫度轉(zhuǎn)換模塊的主要作用是將解調(diào)模塊中的波長(zhǎng)信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫度值，并根據(jù)一系列過熱性故障判據(jù)判讀GIS母線導(dǎo)體的工作狀態(tài)，對(duì)發(fā)生的過熱性故障提供預(yù)警。通過液晶觸摸屏為用戶提供人機(jī)交互界面。根據(jù)用戶的需求進(jìn)行存儲(chǔ)、繪圖、制表、設(shè)置等其他功能。

圖7 軟件功能模塊Fig.7 Block diagram of system software

5.1 波長(zhǎng)-溫度轉(zhuǎn)換

光纖光柵測(cè)溫陣列所反射的光譜包含了該陣列所有傳感器的波長(zhǎng)信息，為了獲得特定測(cè)點(diǎn)的溫度變化需要采用合適的波長(zhǎng)解調(diào)算法將多個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用的反射光信號(hào)逐一解調(diào)為特定測(cè)溫點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單一波長(zhǎng)信號(hào)。

FBG反射光強(qiáng)在中心波長(zhǎng)周圍的空間分布曲線可以用高斯函數(shù)近似表達(dá)[22]為

式中，p0為 FBG中心波長(zhǎng)處反射光強(qiáng)峰值；λ0為FBG反射譜中心波長(zhǎng)；Δλ0為反射譜的3dB帶寬。

為了正確判斷波峰位置從而進(jìn)一步得到反射光中心波長(zhǎng)的偏移量，需要判斷光功率峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化，常見的尋峰算法包括曲線擬合法、微分法、質(zhì)心法、頻譜相關(guān)法等。從計(jì)算速度和精度的平衡出發(fā)，本文選用高斯擬合法[22]進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)。

DSP首先獲取成像單元采集的無(wú)量綱光功率波形數(shù)據(jù)并運(yùn)用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合處理，然后計(jì)算擬合函數(shù)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)利用最小二乘法計(jì)算 c1、c2、c3的值，再利用關(guān)系式 x=c2/2c1計(jì)算中心波長(zhǎng)的位置。

根據(jù)式（5），光纖光柵溫度傳感器反射光中心波長(zhǎng)的偏移量與溫度變化成正比關(guān)系，為了獲得其波長(zhǎng)溫度關(guān)系，需要將制作的傳感器置于恒溫箱進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)，記錄溫控箱內(nèi)的溫度與傳感器反射波長(zhǎng)的線性關(guān)系和遲滯特性來(lái)分析傳感器的性能。對(duì)符合要求的光纖光柵溫度傳感器采用二次曲線擬合獲得波長(zhǎng)溫度關(guān)系。

5.2 GIS母線導(dǎo)體溫度巡檢流程

GIS母線溫度巡檢流程如圖8所示，首先將待巡檢的GIS母線管壁預(yù)先布設(shè)光纖光柵溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將待測(cè)點(diǎn)的信息輸入到便攜式巡檢設(shè)備中。巡檢時(shí)，將巡檢設(shè)備設(shè)置好對(duì)應(yīng)站點(diǎn)信息并連接對(duì)應(yīng)設(shè)備的測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)傳感器的連接狀況并提示用戶。傳感器連接完畢后設(shè)置溫度采集參數(shù)，巡檢設(shè)備自動(dòng)采集 GIS母線管壁上的溫度并對(duì) GIS導(dǎo)體溫度進(jìn)行診斷，當(dāng)導(dǎo)體溫度正常時(shí)，巡檢設(shè)備保存巡檢數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度高于預(yù)警溫度時(shí)，巡檢設(shè)備發(fā)出導(dǎo)體溫度過熱警報(bào)并生成檢修策略與故障日志。

圖8 溫度采集與判別流程Fig.8 Flow chart of temperature sampling and overheat diagnosis program

6 系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試

在環(huán)境溫度 25℃，相對(duì)濕度 30%～60%RH的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)整機(jī)運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)，高低溫箱型號(hào)MHu-225CNSA，其溫度波動(dòng)值為±0.05℃，采用FLUKE 51 ⅡTHERMOMETER作為標(biāo)準(zhǔn)溫度監(jiān)測(cè)儀表，其測(cè)溫精度為±0.05℃。在測(cè)溫過程中將溫度變化范圍設(shè)置為 5～60℃進(jìn)行升降溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中同時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)溫度值與光纖光柵測(cè)溫設(shè)備的實(shí)測(cè)溫度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明，該裝置的溫度測(cè)量誤差在 0.3℃以內(nèi)，符合 GIS母線的測(cè)溫要求。

圖9 溫度-波長(zhǎng)曲線Fig.9 Temperature-wavelength curve

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GIS Conductor Temperature Inspection Method and Device Based on Fiber Bragg Grating

Sun Guoxia1,2 Guan Xiangyu1 Shu Naiqiu1 Kong Lingming1 Jin Xiangchao2 Xie Zhiyang2

（1. Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Foshan 528000 China）

For the Purpose of GIS Bus conductor temperature monitoring and overheating fault prevention, a GIS conductor temperature inspection scheme using FBG temperature measuring network based on FBG temperature sensing and wavelength imaging demodulation technology was introduced. The GIS conductor temperature measurement model is established through the field temperature rise test and the GIS conductor temperature thermal failure criterion is established according to the standards. A portable GIS Bus bar temperature inspection device which contains hardware system and software system has been developed. The application showed that this equipment can be used for GIS busbar inspection, thereby reduce the cost of high precision temperature monitoring GIS equipment, discover GIS busbar overheating fault in time and guarantee the GIS equipment safe and stable operation.

GIS busbar, portable, Fiber Bragg Grating(FBG), temperature patrol measurement

TM930.1

孫國(guó)霞 女，1978年生，博士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、高電壓技術(shù)、在線監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)等。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2012207020208)。

2013-11-22 改稿日期 2015-01-22

關(guān)向雨 男，1986年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)。