基于變電站沉降監測的光纖光柵傳感器

胡正文+程馮宇+龐成鑫+桑杰+焦莉平+邵嘉

摘 要： 根據光纖布拉格光柵傳感器具有抗干擾強、高靈敏度和工作壽命長等優良的物理特性，針對變電站沉降變形監測工程中存在的耗費大量人力、工作環境惡劣、積累時間長等突出問題，設計了新型光纖光柵沉降位移傳感器，其沉降測量量程最大為300 mm，靈敏度為17.8 pm/mm，沉降位移分辨率為0.784 93 mm。與傳統的沉降傳感器相比，在測量靈敏度、分辨率和沉降量測量范圍上有了極大的提高。綜合實驗結果，該傳感器能實現對變電站地基和電氣設備進行大范圍、高靈敏度、高分辨率地沉降監測。

關鍵詞： 光纖傳感； 沉降傳感器； 沉降轉換； 變電站監測； 位移檢測； 智能電站

中圖分類號： TN253?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）01?0143?04

Abstract： Since the fiber Bragg grating sensor has strong anti?interference， high sensitivity， long service life and excellent physical properties， and the settlement deformation monitoring project of substation exists the problems of a lot of manpower consumption， poor working environment and long time accumulation， a new fiber Bragg grating settlement sensor was designed， whose maximum settlement measuring range is 300 mm， the sensitivity is 17.8 pm/mm， and the resolution of settlement displacement is 0.784 93 mm. In comparison with those of the traditional settlement sensors， the measuring sensitivity， resolution and settlement measuring range are improved greatly. According to the experimental results， the sensor can realize the large?scale， high?sensitivity and high?resolution settlement monitoring for the transformer substation foundation and electrical equipment.

Keywords： optical fiber sensing； settlement sensor； settlement conversion； substation monitoring； displacement detection； intelligent power station

0 引 言

變電站是電網的重要組成部分，它在電力系統中起變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調整電壓的作用[1?2]。目前，對于變電站的智能化建設主要集中在對變壓器、電流電壓互感器、GIS、SF6斷路器、隔離開關等變電站一次設備和繼電保護裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置等二次設備的在線監測與智能控制上，而對于變電站基礎建筑的智能化監測方面的建設正處于起步階段[3]。

變電站內的建筑物是保障電網安全的電力基礎設施，變電站基礎建筑物在施工期間以及后期運營期間的安全問題日益突出[4]。由于變電站大多建設在偏遠的地區，其地質條件和氣候條件經常會引起變電站的地基沉降。變電站的地基沉降分為均勻沉降和不均勻沉降，當地基產生均勻沉降時，對地面上的電氣設備產生的附加內應力較小，不至于帶來較大的危害。但是當地基產生不均勻沉降時，對地面上的電氣設備產生的附加內應力巨大，容易造成電氣設備的斷裂、傾斜甚至墜落，從而造成電氣設備事故的發生[5]。

變電站地基沉降的監測方法主要是采用水準監測法。這種方法是通過人工定期巡視檢查安裝在現場沉降監測點的沉降樁頭，利用精密水準儀觀測各個沉降觀測點與基準點之間的變化來判斷地基沉降量[6]。但是這種監測方法的工作量繁重、耗時長，而測得的數據量相反卻較少，容易受到環境因素的影響，使得判斷的準確性不佳，而基于光纖布拉格光柵傳感器的變電站沉降監測系統具有檢測精度高、可實現實時在線監測與預警等優勢[7]。

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感器是變電站基礎沉降監測系統的關鍵，FBG傳感器利用光纖的光學特性和傳感特性來探測工程中各種物理量[8]。它相對于傳統方法具有更高的靈敏度，不易受電磁干擾，絕緣性好，集傳感信息的獲取與傳輸一體，方便組成分布式光纖傳感等優點[9]。本文采用FBG設計變電站沉降監測的沉降傳感器，能夠實現對變電站的沉降狀況進行實時監測，針對變電站沉降積累時間長、沉降范圍大以及工作環境惡劣等特點，FBG沉降傳感器能夠很好地解決變電站沉降監測的問題。

1 FBG傳感原理及傳感器設計

1.1 FBG傳感基本原理

FBG是根據摻雜光纖的紫外光敏特性的原理，使用周期性的強紫外光激光照射摻雜的光纖，使光纖纖芯形成折射率沿軸向周期性分布，從而形成一個反射式光纖光柵[10]。只有滿足布拉格條件的光波才能夠被光柵反射，其布拉格條件為：

[λB=2neffΛ] （1）endprint

式中：[λB]是FBG的反射波長；[neff]表示光纖纖芯的有效折射率；[Λ]為FBG中光柵的折射率調制周期或者柵距。FBG反射的中心波長[λB]只取決于[neff]和[Λ，]當二者發生變化，中心波長[λB]的變化表征為：

[ΔλBλB=Δneffneff+ΔΛΛ] （2）

當FBG所處環境溫度恒定，只在外力場的作用下，產生應變變化量[Δε，]則[λB]也將發生漂移，漂移量與應力變化關系為：

[ΔλB=λB（1-Pe）Δε] （3）

式中[Pe]表示FBG材料的有效彈光系數，可以定義為：

[Pe=n2effP2-μ（P1+P2）2] （4）

式中：[P1，][P2]為FBG材料的彈光系數；[μ]為FBG材料的泊松比。

1.2 FBG沉降傳感器的設計

FBG沉降傳感器的基本原理是將變電站沉降位移量的變化轉換為光信號參數的變化。通過FBG沉降傳感器可以準確地將沉降位移量轉換為作用在FBG上的拉應力，進一步轉換為光纖中傳輸的光學參量，然后對傳輸光譜進行解調，準確地得到反射光中心波長的變化量，最后通過測量反射光中心波長的變化量，即可得到準確的沉降位移量[11]。

基于變電站沉降測量的FBG傳感器，由一個高精密的拉伸彈簧和一個FBG以及連接部件構成，FBG通過連接件一端與參考點相連，另一端與高精密彈簧相連。傳感器下端的連接件固定在變電站的設備上，上端的連接件固定到基準平面上，作為位移參考點。參考點和沉降物根據沉降狀況發生相對位移，位移量通過連接部件的作用轉換成高精密拉伸彈簧的彈性伸長量，彈簧的彈性伸長產生拉應力作用在FBG上。FBG沉降傳感器的結構圖如圖1所示。

拉伸彈簧的最大負荷、彈簧剛度、最大拉伸長度決定了FBG沉降傳感器的測量范圍、分辨率和精度。最大拉伸長度越大，沉降的測量量程范圍越大，彈簧剛度越小，則分辨率越高。彈簧和FBG線性度越穩定，則沉降測量精度越高。但是當沉降的位移量過大時，FBG可能會因為承受過大的應變而發生斷裂。因此拉伸彈簧的最大負荷需要根據傳感器的性能需求來設計。實驗設計中選用的是LeeSpring公司標準定制的高精密拉伸彈簧，型號為LE014B13，最大負荷為0.36 kg，彈簧剛度為0.001 3 kg/mm，最大拉伸長度為339.34 mm。本文設計了量程為300 mm的光纖沉降位移傳感器，其測量分辨率達到0.784 93 mm。

1.3 實驗平臺設計

實驗平臺結構圖如圖2所示。各個模塊選擇如下。寬帶光源：由于SLED光源既具備LD光源輸出功率高的特點，又具備LED光源寬光譜的特點，且穩定性好，所以系統中的寬帶光源采用型號為DL?BX9?CS5169A的SLED光源，中心波長為1 550 nm，功率為17.6 mW，譜寬[12]為78.2 nm。

光譜分析儀：選擇日本安立光譜分析儀 MS9740A，波長測試范圍為600～1 750 nm，波長精度為±20 pm，最大輸入光功率為223 dBm。

3 dB耦合器：Thorlabs公司的型號為TW1550R5A2，工作波長為1 550 nm，雙向耦合（任一端都可用作輸入端）。

FBG：杭州光佑科技有限公司，中心波長為（1 550±0.2） nm，反射率≥85%，3 dB帶寬≤0.3 nm，邊模抑制比≥15 dB，柵區長度為12 mm，光纖類型為SMF?28C。

實驗過程如下：寬帶光源用于產生寬帶出射光，經過3 dB耦合器后，有部分出射光耦合進入FBG，FBG產生的反射光會再次進入3 dB耦合器，同樣會有部分反射光耦合進入光譜儀，通過光譜分析儀對FBG的反射光譜進行分析和存儲。FBG固定在應力測試儀的平臺上，應力測試儀可以設置拉應力數值并對FBG產生相應的拉應力[13?16]。

2 實驗結果與討論

2.2 實驗數據分析

實驗選用3個FBG分別做10組拉應力實驗，三組拉應力的實驗分別是第一組：0～5 N，應力間隔0.5 N；第二組：1.1～2.0 N，應力間隔0.1 N；第三組：3.1～4 N，應力間隔0.1 N。具體數據如表1所示。

表1中的數據是溫度保持在室溫（25 ℃）情況下采集的，FBG的中心放射波長漂移量與軸向應力呈很好的線性關系，通過線性擬合計算出拉力靈敏度系數為1.4 nm/N。同時對Lee Spring公司的標準定制的拉伸彈簧進行了拉伸實驗。高精密拉伸彈簧型號為LE014B13，實驗測得最大負荷為0.56 kg，彈簧剛度為0.001 3 kg/mm，使用拉伸彈簧模擬變電站地基沉降的過程，對彈簧施加等值的拉力，記錄彈簧的拉伸量（即沉降量），具體數據如表2所示。

通過表2的數據分析可知，在彈簧的最大拉伸長度內，拉力與沉降位移量呈非常好的線性關系，經過擬合計算可得沉降量與彈簧的拉力線性系數為78.493 mm/N。

為了提高對沉降位移量的測量精度和分辨率，繼續使用三軸位移平臺進行拉伸實驗測試，其三軸測試平臺的位移分辨率可達到20 μm，經過換算，其對應的拉應力的分辨率為0.01 N，該沉降傳感器的分辨率可提高10倍，FBG中心波長漂移靈敏度為17.8 pm/mm，實驗測得最小沉降位移分辨率為0.784 93 mm，此外最大的沉降測量范圍可以達到300 mm。如此高分辨率、高靈敏度FBG沉降傳感器完全可以實現對變電站及其電氣設備的沉降位移的監測。

3 結 論

本文設計了一種基于高精密的拉伸彈簧的光纖布拉格光纖光柵沉降傳感器，實驗結果表明，該結構對沉降測量有良好的線性特性、重復性和穩定性，FBG沉降傳感器的位移分辨率為0.784 93 mm，靈敏度為17.8 pm/mm，沉降測量范圍可達到300 mm，通過定制不同的彈簧的自由拉伸長度和彈簧的剛度可靈活改變傳感測量范圍和測量精度。該FBG傳感器可以用于基于分布式光纖傳感網絡的變電站基礎沉降監測系統，可對變電站沉降實現實時在線監測與預警。endprint

與現有的FBG應力傳感器相比，本文設計的FBG沉降傳感器更加適合于變電站的沉降監測。部分基于FBG的應力傳感器能夠在微應變測量領域有很好的靈敏度，但是能夠測量的應變量極其微小，不適合用于沉降范圍較大的建筑。部分基于液壓原理的沉降傳感器安裝使用復雜、工作壽命短、對工作環境要求高，對變電站沉降積累時間長、工作環境惡劣的特點不適應。綜上所述，基于FBG的沉降傳感器在變電站和電氣設備的沉降監測方面具有重要作用。

注：本文通訊作者為龐成鑫。

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