光纤光栅传感器技术及其在电力系统中的应用

摘 要：随着我国电力系统的不断发展，电力设备安全在线监测越来越受到人们的重视。现有的电力设备监测手段从工作原理上分主要有电信号传感器和光信号传感器两类。很多情况下需要测量的地方处在高压环境中，如高压开关的在线监测，高压变压器绕组，发电机定子的电压、电流、温度等参数的实时测量。这些地方测量需要的传感器应具有很好的绝缘性能，一般电信号传感器无法满足使用要求。由于光纤光栅传感器所具有的绝缘、抗电磁干扰、体积小等特点，是进行这些环境下测量的最佳选择。

关键词：光纤；光栅；电力；应用

一、光纤光栅传感器技术

光纤光栅传感器经过半个世纪的发展与研究，在光纤光栅的制作技术上有了比较多的成绩，光纤光栅也得到了广泛的应用。尤其近年兴起的光纤光栅传感器，更是吸引了各国学者的广泛关注。相比传统的传感器，光纤光栅传感器具有其独特的优势，例如，径细、质软、重量轻，以及绝缘、抗电磁干扰且耐水、耐高温、耐腐蚀等特点。正是由于光纤光栅传感器所具有的诸多特点使其在工业、农业、电力、医疗等领域有着广阔的应用。光纤光栅的制作与发展经过几十年的不断发展，写入激光光源的不断更新和光纤制作技术的不断完善，使光纤光栅的制作技术有了长足的发展。短周期光纤光栅的制作通常分为两种：一种是内部写入法，一种是外部写入法。内部写入法的制作简单，对实验装置的要求较低，但它只能写入布拉格波长与激励波长一致的光栅。氩离子激光器作光源，利用驻波干涉法成功制出第一根LMN。

二、光纤光栅传感器技术在电力系统中的应用

大型变压器在运行时,绕组温度分布是不均匀的。通过传统的热模拟法测量的技术，运行绕组的温升过程与模拟不尽相同误差较大,法国电网已停用该测温装置。在顶层油温处于正常水平的情况下，绕组的热点温度可能已发生局部过热。绕组过热一方面会造成该处油的分解，另一方面还会造成该处局部绝缘。累积性的老化多次重复过热。最终将导致绝缘击穿而损坏变压器。

2.1热点温度测量技术

在变压器热点温度直接测量技术上，主要是围绕光纤传感技术来进行的光。纤为SiO2材料，具有非常优异的绝缘特性，敏感组件测量和信号的传输均由光来完成，没有电信号的引入，因此理论上就为光纤传感技术在变压器热点温度监测上成为可能。目前使用光纤传感技术测量变压器热点温度主要有三种测量技术：荧光式测量，半导体式测量和光纤光栅测量。

2.2荧光式测温

荧光式测温方法是在光纤末端加入荧光物质，经过一定波长的光激励后，荧光物质受激辐射出荧光能量，由于受激辐射能量按指数方式衰减，衰减时间常数。根据温度的不同而不同，通过测量衰减时间，从而得出测量点的温度。由于衰减时间常数的计算是通过荧光物质受激辐射后的光强测量而换算得到的，而光强受光纤弯曲所产生的光损耗、光纤接头处的插入损耗以及外接光缆的光损耗等因素影响，从而导致衰减时间常数计算误差。

2.3半导体测温

半导体测温原理是在光纤末端加入砷化钾晶体，当光源发出多重波长的光照射到砷化钾晶体时，该晶体处于不同的温度会吸收部分波长的光，同时将剩余不能吸收的波长的光反射回去通过检测反射光的频谱，从而换算出测量点的温度。半导体测温由于测量的是光的频谱，不是光强，因此测量不受光功率影响，但是在实际操作过程中，但是光路的变化如光缆的重新布置,传感器的重新焊接还会严重影响测温的准确性，还须重新定标确保温度测量的准确性。同荧光式测温技术一样，温度敏感组件都是处于光纤的末端，单根光纤只能接一个传感器。

2.4光纤光栅测温

光纤光栅是在光纤上制作的、只反射特定波长的光传感组件。该器件反射的波长与温度具有优异的线性关系，光纤光栅反射波长和温度线性拟合的决定系数。可达99.99%，通过测量光纤光栅反射回的光的波长，即可换算出测量点的温度。在单根光纤上的不同位置可以刻写不同波长的光纤光栅传感器，每个传感以光纤。光栅刻写时的光反射波长为其编码，通过波分复用技术，从而在单根光纤上实现。最多可达20个光纤光栅传感器的串联。

2.6光纤光栅测温系统在110kV变压器中的应用

本项目采用深圳太辰光通信有限公司自主研制、生产的变压器光纤光栅测温。系统主要技术有：TS-WI-40-4光纤光栅波长解调仪光纤光栅温度传感器，波长范围为1525nm-1565nm，温度的范围在-40℃～+300℃。测量的通道数4道，精度在+/-1℃之间。温度的精度±1℃，光缆护套Ф1.1mm。铁氟龙套管温度分辨率 0.1℃，内部油浸光纤长度10米，单根光纤传感器数量最多20个，传感器尺寸Ф0.7mm×10mm。

2.7测量方案

高压绕组紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器，低压绕组紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器。这样设置传感器的理由一方面可。以评估绕组的热点温度；另一方面可以比较在绕组的紧邻位置，两个传感器测量的温度是否有较好的一致性。

2.8光纤光栅传感器的安装

（1）在垫块上切割一个凹槽，凹槽直径要保证可以放入光纤传感器。

（2）使用变压器工业专用黏合剂固定传感器，并利用牛皮纸固定传感器。

（3）用未切割凹槽的垫块粘合开槽垫块的上下两个面。用楔子插入线圈撑出放入垫块的空间。将粘合好传感器的垫块插入线圈，垫块放置方向和绕组轴向相同取出楔子。

三、光纤光栅传感器技术在电力上运用的安全性能

进入变压器内部的光纤光栅传感器及相关材料分别经过两个阶段的试验评估，第一阶段试验是按照GB/T16927.1-19《高电压试验技术第一部分一般试验要求》，在105℃的油温中放置了168小时，试验前后油样的油化验结果合格，且光纤光栅传感器及相关材料均无开裂现象。第二阶段试验是将上述材料放入变压器油中2年，试验结果证明材料和变压器油兼容性满足要求，光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估。光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估分别经历两个阶段的试验评估。第一阶段试验是按照GB/T16927.1-19《高电压试验技术第一部分一般试验要求》，光纤光栅传感器在变压器油中的耐压值不低于3kV/mm。第二阶段试验中光纤光栅传感器经受了1575kV雷电冲击、1525kV操作冲击、400kV工频耐压和DC1020kV，5min中的直流耐受试验，并顺利通过了上述测试。

结束语

光纤光栅传感器在电力上的应用，主要包括两种方式：通过对温度的测量实现对电力设备的实时安全检测、间接测量电学参量如电压、电流等。电力设备的故障主要存在于电力系统要害部位终端、中间接头等和易发生故障的部位弯曲敷设部位，因此对电力电缆系统的重点部位进行实时温度监测，就可以实现电力电缆的安全检测。光纤光栅传感器检测的电力设备包括高压开关柜隔离触头断路器、线夹、隔离刀闸、互感器、变压 器、电抗器、阻波器等。光纤光栅传感器对这些电力设备进行温度的在线监测，诊断过热的原因，再经过处理分析故障，从而实现真正意义的在线安全监测。

参考文献

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