基于光纤光栅温度传感器的高压开关触头温度测量

 1 引言

高压开关柜隔离触头的温度监测一直是电力工业安全运行的重大课题之一，但是由于触头处在强电磁场、高电压环境中，所以目前的监测方法都是围绕何实现系统的抗强电磁场干扰和高电压的隔离问题，主要方法有感温纸测温、红外温度测量、F-P 光学式测量、感应窃电方式测量、光纤传输方式和红外无线传输等。而光纤光栅传感器集测量和传输于一体，采用光波的形式进行测量和传输，具有体积小、重量轻、传输损耗小、不受电磁场干扰和良好的绝缘性能等优点，因此非常适合高压开关柜的触头温度测量环境。基于以上优点，本文提出了一种采用光纤光栅温度传感器的触头温度测量方案，同时采用合理的安装技术解决了应变交叉敏感的影响。

　　2 光纤光栅传感器原理

光纤光栅传感器既能实现温度的测量，又能实现应变的测量，这两个物理量都能引起光纤光栅布拉格波长的变化。

光纤光栅的温度传感特性是由光纤光栅的热光效应和热膨胀效应引起的，热光效应引起光纤光栅的有效折射率的变化，而热膨胀效应引起光栅的栅格周期变化。当光纤光栅传感器所处的温度场变化时，可推导出温度对布拉格波长变化的影响为

式中 a 为光纤的热膨胀系数，主要引起栅格周期的变化，取5.5′10-7;x 为光纤的热光系数，主要引起光纤的折射率变化，取5.5′10-6。光纤光栅传感器的应变特性是弹光效应和弹性效应共同作用的结果，弹性效应会改变光栅的栅格周期，弹光效应会改变光纤的有效折射率，其传感特性可以表示为[13]。

式中 Pe为光纤的有效弹性系数，Pe =0.22。正因为光纤光栅传感器既能测量温度又能测量应变，所以在对高压开关柜隔离触头实行温度测量时，就要想办法屏蔽由于开关柜振动引起的应变对温度测量精度的影响，这就是光纤光栅传感器的应变交叉敏感。

　　3 触头温度测量系统方案

3.1 光纤光栅传感器的安装

高压开关柜的断路器分为移动小车和开关柜两部分，高压开关柜的触头共有六个，分别分布在上侧和下侧的A、B、C 三相上，那么为了保证系统的可靠性，必须对六个触头的温度同时进行监测。如式(1)、(2)所示，由于光纤光栅传感器对温度、应变同时敏感，为了保证温度测量精度，必须屏蔽应变的交叉敏感影响，即断路器的分、合过程中产生的任何应变都不应传递给光纤光栅传感器。本系统是通过把光纤光栅温度传感器单端固定在静触头上，来屏蔽触头在碰撞过程中产生的应变。另外，为了保证光纤光栅温度传感器对触头各点温度测量的均匀性，系统充分利用静触头的中间空位，把温度传感器固定在静触头的中间位置，图1是传感器在单个静触头的安装示意图。当动触头与静触头在分、合时，在静触头的圆周位置产生应变，而在其中心不存在应变，那么应变也就传递不到光纤光栅传感器了。这种安装方案既保证了温度的测量精度又屏蔽了由于振动引起的应变交叉敏感影响。


3.2 光路复用方案

六个光纤光栅温度传感器的同时测量就涉及到光路的复用问题，光纤光栅传感器的复用可以采用波分复用(WDM)、空分复用(SDM)或时分复用(TDM)方式，本系统是采用空分复用和波分复用方法。如图2 所示，用1′8 耦合器实现对传感器的空分复用，这样可以避免采用单一波分复用的弊端，即多个传感器串连在一根光纤上，在其中一个传感器损坏时会影响其它传感器信号的传输;同时在传感器工作波长的选择上又采用了波分复用方式，用来提高系统的测量速度，即在波长解调时采用一个扫描周期可以实现六个传感器的同时测量。

在图2 中，A、B、C三相的六个光纤光栅温度传感器处于高电压侧，分别安装在静触头孔径内，而耦合器、波长解调器、控制器以及数据处理电路都处于地电位侧，安装在控制室内，采用长距离的光纤传输来实现高电压侧绝缘隔离。图中的A1、B1、C1，A2、B2、C2是本文设计的光纤光栅温度传感器，分别分布在隔离触头的上侧和下侧A、B、C 三相上，在常温下传感器的波长分别为1548.5nm、1550.1nm、1551.6nm、1553.5nm、1555.5nm、1557.1nm，灵敏度为0.011nm/℃、0.013nm/℃、0.011nm/℃、0.010nm/℃、0.011nm/℃、0.012nm/℃，测量范围为0'110℃;耦合器为由7 个3dB耦合器组合而成的1′8耦合器;波长解调器为采用压电陶瓷驱动标准具实现波长扫描，其工作波长范围为1548'1558nm，覆盖6 个传感器在0'110℃温度变化时的所有波长带;控制器在数据处理器的控制下实现波长解调器的扫描。

3.3 触头温度模型

高压开关柜在运行时，触头、母线、电流互感器、柜体等构成了多个热源，高压开关柜及内部各部件又构成了复杂的热阻网络[14]。在此系统中，要通过理论推导出触头温升与光纤光栅传感器温升间的数学关系是比较困难的，因此本文通过试验方法建立了它们之间的数学模型。

温升实验是在10kV 高压开关柜上进行的，实验时三相触头接触正常，工作额定电流为1kA，室温为25℃。图3 是上隔离触头B 相的温升过程曲线，可以看出光纤光栅传感器测量的温升变化要比触头的实际温升变化慢，但它们的变化趋势是相同的，大约在3h 以后温度场变化趋于稳定。测量温度与实际温度间的差值是由于传感器采用非接触方式测量温度，它依靠静触头的辐射来传递热量。表1 是其温升测量数据。

可以看出在开关柜触头接触正常、温度变化稳定后各个触头的实际温升值DTC 与对应的传感器温升值DTS之间的比例关系都在1.43 附近，取其平均值作为试验结果，可建立触头的实际温度与传感器的测量温度间的数学关系式为
TC='K'(TS-T)+T (3)
式中 K='1'.43;TS为光纤光栅温度传感器测量的温度值;T为高压开关柜环境温度。

3.4 系统的抗电磁干扰性分析

为了检验光纤光栅传感系统的抗电磁干扰能力，在高压开关柜满负荷工作，并且传感器测量趋于稳定的情况下，通过对开关柜采用突然掉电的方式来检测温度测量结果与电磁场的关系[15-16]，实现抗电磁干扰能力的实验。图4 是在触头温升趋于稳定后，在试验过程中安排了两次停电并在一次侧的B 相触头上测量的温度数据，图4(a)是电流的变化过程图，图4(b)是电流变化引起的触头温度变化曲线。可见在母线失去电流的情况下，引起了触头温度的下降，但在恢复送电后又很快开始上升。从曲线可以看出测量的触头温度对突然的停电与送电做出了反应，但这种温度的升降是渐变的而不是突变的，说明电磁场的存在对传输光纤以及光纤光栅温度传感器没有影响。如果电磁场的存在使测温系统显示的温度较实际温度偏高或偏低，那么当开关柜母线中一旦失去电流，电磁场消失时，温度显示会立即跳变到"实际值"，但这种跳变现象在实际试验中并未发生。因此说明光纤光栅触头测温系统具有很强的抗电磁干扰能力。