基于光纖傳感的輸電導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)研究

梁仕斌，張江濤，張崇興，趙振剛，王發(fā)志

(1. 云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明 650217；2. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；3. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通 657000)

0 引言

輸電導(dǎo)線溫度深刻影響著輸電線路的輸電能力，為了增加輸電容量，提出了靜態(tài)增容技術(shù)[1]，而這不可避免的由于輸電線路負(fù)載的增加導(dǎo)致輸電導(dǎo)線溫度升高。若輸電導(dǎo)線的溫度提高的很快，那么會(huì)減小了輸電導(dǎo)線對(duì)地的空氣間隙距離，從而帶來了很多危害。

為了確定最好和最安全的載流能力，必須對(duì)輸電導(dǎo)線進(jìn)行實(shí)時(shí)的、精確的溫度監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的測(cè)量溫度方法是將點(diǎn)式感溫裝置放于線路中易發(fā)生故障的地方來監(jiān)測(cè)溫度。缺點(diǎn)是此方法當(dāng)處于惡劣環(huán)境中時(shí)，可靠性較差，容易發(fā)生誤警[2]；采用紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)電纜表面溫度進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)溫，比較安全，適合單點(diǎn)測(cè)溫。此方法雖然能夠補(bǔ)充電纜局部測(cè)溫的不足，但采用紅外技術(shù)在線測(cè)溫時(shí)，容易受到其他因素的影響[3]。傳統(tǒng)的電信號(hào)傳感器存在著布設(shè)繁雜，系統(tǒng)安裝、維護(hù)工作不夠簡便，設(shè)備容易損壞等缺點(diǎn)。與電測(cè)量傳感器相比，光纖傳感器有耐腐蝕、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾、無需野外電源等等優(yōu)點(diǎn)[4-8]。

鑒于輸電導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)存在的各種問題，基于光纖光柵傳感技術(shù)[9-15]，研制了一種FBG溫度傳感器以及傳感器夾具，通過測(cè)量光纖中心波長的變化反映導(dǎo)線溫度的變化，這種光纖光柵傳感器不僅安裝簡單、在惡劣環(huán)境下使用壽命長，而且克服了傳統(tǒng)的電學(xué)量溫度傳感器易受電磁干擾的缺陷。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)線溫度的長期在線監(jiān)測(cè)，為直流融冰等除冰過程提供數(shù)據(jù)支撐，以保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 溫度傳感器的工作原理

根據(jù)耦合模理論，光纖布拉格光柵的中心反射波長可以表示為：假設(shè)光纖受到外因素影響時(shí)，Λ和neff會(huì)發(fā)生變化，光纖反射波長也會(huì)發(fā)生變化。其關(guān)系式為：

關(guān)于上面公式，當(dāng)只有溫度發(fā)生變化時(shí)，其光柵周期變化為：

式（3）中熱膨脹系數(shù)為α。熱光系數(shù)引起的折射率變化為：

式（4）中熱光系數(shù)ξ表示是折射率隨溫度的變化率。因此FBG的溫度靈敏度系數(shù)：

假設(shè)要把光纖光柵用于實(shí)際的傳感，我們就必須對(duì)FBG的靈敏度進(jìn)行增敏，方法通常是對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。封裝后溫度傳感器靈敏度系數(shù)為：

1.2 溫度傳感器的封裝及安裝

為滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的要求，在進(jìn)行FBG傳感器封裝時(shí)，需要考慮以下因素：

（1）封裝后的FBG傳感器具有好的重復(fù)性和非線性誤差；

（2）封裝后的結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度；（3）封裝結(jié)構(gòu)擁有良好的穩(wěn)定性。

為了在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，保證傳感器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力穩(wěn)定性，以排除不穩(wěn)定力場(chǎng)對(duì)光纖光柵波長的影響。

1. 我們采用雙金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)溫度增敏，用于減小甚至消除FBG傳感器對(duì)應(yīng)力的敏感性質(zhì)。當(dāng)溫度產(chǎn)生變化時(shí)，封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長度變化量的差轉(zhuǎn)變?yōu)镕BG的變化量，從而提高了FBG傳感器的溫度靈敏度。

2. FBG外的兩頭盡量保持松弛、不受拉力。用結(jié)構(gòu)膠將小管兩端光纖固定，待FBG兩端固定后，往弧形小管里填充導(dǎo)熱膏，加蓋封裝。因此FBG不會(huì)受到外面應(yīng)力的影響。

通過采用不銹鋼管對(duì)FBG進(jìn)行封裝，封裝時(shí)只要讓光纖光柵在鋼管里保持松弛即可有效祛除應(yīng)變的影響。根據(jù)光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的敏感特性，采用不受力的封裝方式將其封裝在外殼內(nèi)，處于自由態(tài)，如圖1所示。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝Fig.1 Fiber grating temperature sensor packaging

外套金屬管主要是保護(hù)光柵，內(nèi)套金屬管是讓把光纖光柵固定在外套金屬管上以使不銹鋼管里的那段光纖光柵兩側(cè)形成的一定的交角，以保證光柵部分足夠松弛。傳感器的波長變化僅與溫度有關(guān)，使用專門設(shè)計(jì)的夾具將溫度傳感器與導(dǎo)線固定在一起，并與導(dǎo)線充分接觸，打入入射光就能將導(dǎo)線的實(shí)時(shí)溫度對(duì)應(yīng)的傳感器反射波長記錄下來，通過波長與溫度的公式換算，可以準(zhǔn)確測(cè)得導(dǎo)線的溫度。

本文所用的 FBG溫度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical specifications of sensors

安裝一根垂直方向的通道絕緣子在引流線上，通道復(fù)合絕緣子光纖順著引流線到導(dǎo)線上，在導(dǎo)線的連接金具和導(dǎo)線上（距離線夾1200 mm）固定一個(gè)溫度傳感器。圖2為導(dǎo)線溫度傳感器的部署結(jié)構(gòu)圖：

圖2 溫度傳感器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of temperature sensor installation

2 溫度傳感器夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫度傳感器安裝在導(dǎo)線的表面，用于精確測(cè)量導(dǎo)線溫度。由于導(dǎo)線自身材料、形狀及工作環(huán)境限制，溫度傳感器宜采用抱箍的方式安裝在導(dǎo)線上，固定夾具和導(dǎo)線之間增加硅膠墊，避免夾具和導(dǎo)線在長期運(yùn)行過程中發(fā)生摩擦而損壞導(dǎo)線，溫度傳感器夾具如圖3所示，其中2是導(dǎo)線，4是溫度傳感器，其余是夾具組件。導(dǎo)線光纖溫度傳感器夾具實(shí)物如圖4所示。

在高壓端輸電導(dǎo)線上布設(shè)導(dǎo)線溫度傳感器，傳感器位置以及光路如圖5所示。

圖中紅色部分為光纜，安裝方式按照?qǐng)D中所示，使用扎絲在光纖復(fù)合絕緣子、導(dǎo)線溫度傳感器出頭5-10 cm的地方進(jìn)行固定，每個(gè)固定點(diǎn)間隔距離（導(dǎo)線上0.5-1 m之間），桿塔固定使用設(shè)計(jì)的專用夾具固定，每個(gè)固定點(diǎn)間隔距離（桿塔上2-3 m之間），固定到光纜箱后，先丈量光纜到達(dá)光交箱的位置，然后將多余的光纜盤附在光纜箱內(nèi)固定，最后接入光交箱。絕緣子低壓端的尾纖連到光纖接續(xù)盒。

圖3 溫度傳感器夾具設(shè)計(jì)Fig. 3 Design of temperature sensor fixture

圖4 導(dǎo)線光纖溫度傳感器夾具實(shí)物Fig. 4 Wire optical fiber temperature sensor fixture object

圖5 光纖復(fù)合絕緣子安裝位置示意圖Fig.5 Sketch map of installation location of optical fiber composite insulators

3 輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在線監(jiān)測(cè)界面采用flash制作，主要顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊flash界面上的任一監(jiān)測(cè)區(qū)域可顯示該區(qū)域當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；除此之外，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生報(bào)警時(shí)，還會(huì)在相應(yīng)報(bào)警位置閃爍報(bào)警燈。在線監(jiān)測(cè)模塊是高壓輸電線路的核心模塊，此模塊一共可分成9個(gè)功能子模塊如圖6所示，數(shù)據(jù)接收、三維桿塔展示、光纖復(fù)合絕緣子監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線覆冰監(jiān)測(cè)、微氣象監(jiān)測(cè)、桿塔傾斜檢測(cè)，數(shù)據(jù)維護(hù)。

圖6 在線監(jiān)測(cè)模塊Fig.6 Online monitoring module

時(shí)序曲線包括時(shí)序曲線和趨勢(shì)分析兩個(gè)部分。時(shí)序曲線可以顯示特定區(qū)域特定傳感器的歷史數(shù)據(jù)曲線；趨勢(shì)分析采用算法，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析推算傳感器的未來數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了檢驗(yàn)傳感器的實(shí)際性能，使用恒溫箱對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)布置圖如圖所示。將光纖光柵溫度傳感器放在恒溫箱中，傳感元件通過傳輸光纜和解調(diào)系統(tǒng)相連接。

實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）FBG溫度傳感器連接好并放置于恒溫箱中，光纖接頭從恒溫箱側(cè)面引出，連接到光纖光柵解調(diào)儀。

（2）調(diào)整恒溫箱內(nèi)的溫度，從0℃開始，等待恒溫箱內(nèi)的溫度保持穩(wěn)定，再將溫度上調(diào) 5℃，同樣等待恒溫箱內(nèi)溫度保持穩(wěn)定后，直至溫度為50℃。在實(shí)驗(yàn)過程中始終用解調(diào)儀讀取并記錄光柵的波長數(shù)據(jù)。

傳感器的溫度靈敏度標(biāo)定結(jié)果（以0-50℃之間的數(shù)據(jù)繪圖）。為確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定，取3組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到其擬合直線為 λ=0.0098T+1551.901。結(jié)合測(cè)溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到 FBG溫度傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)，傳感器平均溫度靈敏系數(shù)為9.8 pm/℃，分辨率為0.102℃，線性度為0.79%，如圖7所示。

從圖8中看出，研制的光纖光柵溫度傳感器具有良好的特性，因此可以用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的溫度變化。

圖7 光柵中心波長與溫度的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between center wavelength and temperature of grating

收集云南電網(wǎng)某110 kV輸電導(dǎo)線2015年12月18日至2016年2月17日期間的導(dǎo)線溫度和空氣溫度變化數(shù)據(jù)，如圖8所示。

導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)量和環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)具有較好的一致性。運(yùn)行和維護(hù)人員可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開展輸電線路的融冰特性等方面的研究，從而為輸電導(dǎo)線的融冰啟動(dòng)、融冰過程和融冰效果提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論

本文基于光纖光柵傳感技術(shù)研制了用于監(jiān)測(cè)輸電導(dǎo)線溫度的溫度傳感器和傳感器夾具。通過標(biāo)定試驗(yàn)表明溫度傳感器靈敏度 9.8 pm/℃，分辨率為0.102℃，線性度為0.79%。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，采用光纖傳感技術(shù)的導(dǎo)線溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)線溫度的可靠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?yàn)橹绷魅诒瘸^程提供數(shù)據(jù)支撐，以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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