光纖溫度傳感器在中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討

摘 要：隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高，電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在電力系統(tǒng)中逐步得到應(yīng)用。中壓開(kāi)關(guān)柜是中壓配電系統(tǒng)的關(guān)鍵控制與保護(hù)設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，目前我國(guó)中壓開(kāi)關(guān)柜溫升問(wèn)題突出，因溫升超標(biāo)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜燒毀現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因而對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)特別是溫度在線監(jiān)測(cè)對(duì)于發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，提高電力系統(tǒng)的可靠性和供電質(zhì)量具有重大意義。光纖溫度傳感器作為一種新型測(cè)溫方式，具有很大的應(yīng)用前景。本文首先介紹了光纖溫度傳感器相比傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢(shì)以及目前的應(yīng)用場(chǎng)合，重點(diǎn)介紹了三種光纖溫度傳感器的原理、特點(diǎn)及相互差異，對(duì)其在電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用作了展望。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)設(shè)備；光纖；溫度傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.230

0 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量日漸增長(zhǎng)，其覆蓋范圍也不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會(huì)的安定團(tuán)結(jié)有著越來(lái)越舉足輕重的作用。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量將有可能超過(guò)1000GW，成為世界上規(guī)模最大的聯(lián)合電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)容量的不斷增長(zhǎng)，也對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性提出了越來(lái)越高的要求。停電事故給生產(chǎn)和生活帶來(lái)的影響和損失也越來(lái)越大，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)受到損失，影響正常的生產(chǎn)、生活甚至社會(huì)穩(wěn)定。因此，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)有著十分重要的意義。

根據(jù)多年來(lái)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）第13研究委員會(huì)和我國(guó)電力部門(mén)的全面調(diào)查與統(tǒng)計(jì)資料表明，中國(guó)電力系統(tǒng)配電電壓等級(jí)的開(kāi)關(guān)事故類型分布如圖1：機(jī)械故障（拒分、拒合、誤動(dòng)）33.3%，絕緣故障37.3%，溫升故障（載流）8.9%，其它20.5%[1]。從資料中我們可以看到因溫升故障引起的事故在運(yùn)行故障中占到了不小的比重，特別是近年來(lái)我國(guó)中壓開(kāi)關(guān)柜溫升問(wèn)題十分突出，因溫升超標(biāo)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因而對(duì)開(kāi)關(guān)柜的溫升問(wèn)題及溫度在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究有著重要的意義。

最傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫方式一般使用涂料法，即在電接觸表面涂一層顏色隨溫度變化而變化的發(fā)光材料，通過(guò)觀察其顏色變化來(lái)大致確定溫度范圍。后來(lái)，溫度傳感器的快速發(fā)展，使得人們可以對(duì)開(kāi)關(guān)柜的溫度進(jìn)行更加準(zhǔn)確的定量檢測(cè)。如今，溫度信號(hào)的測(cè)量方法主要分為接觸式和非接觸式兩種。

熱敏電阻、熱電偶其他類型的傳統(tǒng)接觸式溫度測(cè)量技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域雖已成熟應(yīng)用，但它們?cè)谔厥猸h(huán)境下，無(wú)法耐受相應(yīng)的電磁干擾、化學(xué)腐蝕與環(huán)境氧化等因素。紅外輻射非接觸式傳感器有時(shí)受視角等因素影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)限制了其工作可靠性。而光纖本身所具有的電絕緣性以及固有的頻帶寬的特點(diǎn)，使其突破了電調(diào)制溫度傳感器的限制，在此大有用武之地。應(yīng)用光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種新的測(cè)溫方式，光纖溫度傳感器已在過(guò)程控制和科學(xué)測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用于建筑業(yè)、航空航天以及海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域等等，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也得到了較好的發(fā)展。

光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。目前研究的光纖溫度傳感器主要有光纖光柵溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器、熒光光纖溫度傳感器、反射式光纖溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、分布式光纖光柵溫度傳感器等等。本文將主要對(duì)比討論光纖光柵溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器、熒光光纖溫度傳感器。

1 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來(lái)進(jìn)行測(cè)溫的。光纖光柵的傳感信息采用的是波長(zhǎng)編碼，波長(zhǎng)的變化表征了被測(cè)物理參量的變化。通過(guò)建立并標(biāo)定光纖光柵的溫度響應(yīng)與被測(cè)參量波長(zhǎng)變化的關(guān)系，就可以由光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的變化，測(cè)試出溫度的變化。另外，多個(gè)光纖傳感器可以組成分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

可以明顯看出，當(dāng)材料確定以后，光纖光柵對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)[2]基本上唯一與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)，這就從理論上保證了作為溫度傳感器可以得到良好的線性輸出。

1978年，加拿大渥太華通信研究中心的Hill等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng)并制成了第一只光纖光柵[3]；1989，Morey將其用于傳感器技術(shù)中[4]；2005，李軍等人發(fā)明了光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)電力電纜溫度[5]；同時(shí)，也有學(xué)者將其應(yīng)用在監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜溫升狀態(tài)中[6]。

2 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器

可得，砷化鎵發(fā)生本征吸收時(shí)，照射光臨界波長(zhǎng)將隨著溫度的升高而增大。在下圖中，溫度降低時(shí)，砷化鎵本征吸收的波長(zhǎng)降低，圖中的吸收邊左移，與光譜的覆蓋面積增大，大大加強(qiáng)了砷化鎵晶體的光吸收能力；溫度升高時(shí)，砷化鎵吸收波長(zhǎng)增大，吸收邊右移，直至最后基本無(wú)光穿透半導(dǎo)體，圖3也表明了這一點(diǎn)[9]。

綜上所述，當(dāng)一束特定波長(zhǎng)的光照射到砷化鎵晶體時(shí)，其禁帶寬度隨砷化鎵所處的溫度的不同而改變，也隨之影響本征吸收的光的臨界波長(zhǎng)，從而導(dǎo)致投射光的強(qiáng)度的改變，投射光的強(qiáng)度砷化鎵本征吸收的臨界波長(zhǎng)有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)標(biāo)定投射光強(qiáng)與溫度的曲線關(guān)系就可以得到被測(cè)物體的溫度。

1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱電機(jī)中心實(shí)驗(yàn)室，首次研制出采用半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器；20世紀(jì)，學(xué)者將半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器用于用于監(jiān)測(cè)變壓器繞組溫度[10]。

3 熒光光纖溫度傳感器

熒光光纖溫度傳感器是由多模光纖和在其頂部安裝的熒光物體（膜）組成。熒光物質(zhì)在受到一定波長(zhǎng)（受激譜）的光激勵(lì)后，受激輻射出熒光能量。激勵(lì)撤消后，熒光余暉的持續(xù)性取決于熒光物質(zhì)特性、環(huán)境溫度等因素。這種受激發(fā)熒光通常是按指數(shù)方式衰減的，我們稱衰減的時(shí)間常數(shù)為熒光壽命，熒光壽命是熒光衰減的本征參數(shù)，只與溫度相關(guān)，這里我們主要介紹熒光壽命型溫度傳感器。

根據(jù)上圖4[12]可知，熒光壽命是溫度參數(shù)的單值函數(shù)，隨著溫度升高，熒光壽命減小，通過(guò)測(cè)量熒光壽命可以得到溫度值，因此，熒光壽命的求取成為關(guān)鍵問(wèn)題。利用該方法測(cè)量的溫度只取決于熒光壽命，而與其他參量無(wú)關(guān)。

熒光式光纖測(cè)溫儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5。熒光光纖溫度傳感器屬于傳光型溫度傳感器，因?yàn)楣饫w在光路中只起到傳導(dǎo)光的作用，如上圖，首先有驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)光源（一般是LED）發(fā)光，將所發(fā)出的寬帶光源經(jīng)過(guò)耦合器耦合到輸入光纖，因?yàn)長(zhǎng)ED所發(fā)出的光波長(zhǎng)范圍與探頭熒光材料的吸波長(zhǎng)范圍是相對(duì)應(yīng)的，熒光材料發(fā)射出熒光由光纖輸出，為了濾除光源對(duì)熒光的干擾，通過(guò)濾光片濾除波長(zhǎng)較短的光源的光，隨即進(jìn)入光電探測(cè)器與信號(hào)處理電路對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行處理，但要注意熒光信號(hào)強(qiáng)度很弱，且衰減時(shí)間較短，需采用低漂移，高精度，高轉(zhuǎn)換速度的信號(hào)調(diào)理電路。

1993年，Z.Y.Zhang和K.T.V.Grattan等人研制了一種基于鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)測(cè)量熒光壽命的測(cè)溫方法[13]；1996年，A.Babnik和A.Kobe等提出了一種基于熒光光纖溫度傳感器的探頭結(jié)構(gòu)[2]，當(dāng)利用熒光壽命法測(cè)溫時(shí)，探頭具有非常高的采集效率，在20～90℃的溫度范圍內(nèi)，精確度達(dá)到±0.3℃；目前，基于熒光光纖的溫度測(cè)量系統(tǒng)已用于開(kāi)關(guān)柜等電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)中[6]。

4 幾種光纖溫度傳感器的對(duì)比

通過(guò)上述表格對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三種光纖測(cè)溫方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：

光纖光柵測(cè)溫法雖然測(cè)溫精度高，可靠性好，還能夠?qū)嵭蟹植际綔y(cè)量，最大分辨率可精確到1m，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，為其他光纖測(cè)溫法的幾倍到十倍；光纖半導(dǎo)體測(cè)溫法測(cè)溫范圍廣，可實(shí)施從-50～1000℃的溫度測(cè)量，測(cè)溫精度雖然相比光纖光柵法和熒光測(cè)溫法略差，也可達(dá)到±2℃的范圍，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)通道進(jìn)行校準(zhǔn)，易受光路，光源的影響，一致性較差；熒光光纖測(cè)溫法，靈活小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格也較便宜，測(cè)溫精度和可靠性也較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

光纖溫度傳感器具有抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕與環(huán)境氧化、安全等特點(diǎn)，而光纖本身所具有的電絕緣性以及固有的頻帶寬的特點(diǎn)，使其突破了電調(diào)制溫度傳感器的限制，在電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，但是也存在一些問(wèn)題，例如，光纖溫度傳感器的價(jià)格限制了其推廣應(yīng)用；某些情況下光纖較難鋪設(shè)，缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；缺少基于光纖溫度傳感器的電力系統(tǒng)故障診斷方面軟件的理論支持與經(jīng)驗(yàn)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)電力設(shè)備的溫度在線監(jiān)測(cè)將會(huì)越來(lái)越受到重視，光纖測(cè)溫系統(tǒng)成本的降低以及測(cè)量精度和可靠性的提高必將促使其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛與深刻。

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作者簡(jiǎn)介：張欣（1984-），男，本科，工程師，主要從事：變電設(shè)備技術(shù)監(jiān)督及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。