绝缘子保护的FBG温度传感器研究*

李英娜，徐树振，田 雷，李 川，张 旭，赵振刚

（昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500）

0 引言

自然污秽条件下暴露的输变电设备表面容易沉积污秽，加之受到雨、雪等恶劣天气的影响，容易造成电力系统的污闪事故。随着经济的快速发展，电网规模逐步扩大，实现对电气设备的安全和准确检测，成为电网输电线路安全亟待解决的问题之一。目前广泛应用于电力系统检测的方法是红外热成像检测法［1，2］，它根据分布电压在电气设备上的热场分布，通过成像处理来检测绝缘子。红外成像仪可在远距离且不受高压电磁场干扰的情况下对目标进行测量，空间分辨率和温度分辨率都较过去有了很大的提高。

电气设备绝缘表面一旦发生劣化会伴随击穿、放电等现象，这些现象必然会造成绝缘表面和周围空气温度的变化，本文提出并研制了一种具有绝缘子保护的光纤Bragg光栅（FBG）温度传感器［3］用于检测电网输变电线路中电气设备的温度。

1 绝缘子保护的FBG温度传感器的结构与工作原理

根据电力系统中电气设备的绝缘要求［4］，结合FBG温度传感器的特征，设计了具有绝缘子保护的FBG温度传感器。该传感器的传感结构为:光纤的外表面包覆设置单片或者多片硅橡胶材料的光纤绝缘子，光纤的一端熔接FBG传感装置，另一端熔接光纤连接头，整个传感器采用室温硫化硅橡胶材料一体成型结构加工而成［5］。绝缘子片数由被测系统的电压等级所决定。输电线路中，绝缘子的绝缘水平由其种类、形状、结构尺寸和串长决定［6］。当绝缘子种类、形状和结构尺寸确定时，每串绝缘子的片数为

式中m为绝缘子的片数;λ为绝缘子的爬电比距;Um为系统最高运行线电压或者系统的额定线电压;Ke为绝缘子爬电距离的有效系数;L0为每片悬式绝缘子的几何爬电距离。具有绝缘子保护的FBG温度传感器结构，见图1。

图1 绝缘子保护的FBG温度传感器结构示意图Fig 1 Schematic diagram of FBG temperature sensor protected by insulators

电力系统中准确、安全地检测出关键设备的过热点是确保安全供电的必要前提。户外电力系统中，输变电设备上安装的测温元件在自然污秽或是潮湿环境条件下的抗电压能力随之降低，发生闪络击穿的机率变大，容易造成电气事故。光纤可在高压等极端环境中保持良好的工作特性，但光纤本身较脆弱，在此采用绝缘子保护光纤。绝缘子良好的绝缘和耐高压特性，使得传感器可以检测电力系统中高电压环境下电气设备的温度。

对研制的具有绝缘子保护的FBG温度传感器进行15 kV工频交流耐高压测试，传感器顶端即熔接FBG传感装置的一端加高电压，其尾部即连接光纤连接头的一端接地，传感器实物连接图，见图2。分别在无污染环境，并模拟凝露和污染环境对传感器进行测试。

图2 传感器实物连接图Fig 2 Connection figure of physical sensor

15 kV的工频交流耐高压测试结果表明:具有绝缘子保护的FBG温度传感器中的绝缘子封装在纯净、凝露以及污秽的试验条件下，均无击穿响声（或断续放电声）、冒烟、出气、焦臭、闪络、燃烧等现象。验证具有绝缘子保护的FBG温度传感器可以工作在高电压环境中。

具有绝缘子保护的FBG温度传感原理:由于光纤的热膨胀效应和光纤热光效应，外界温度变化会引起FBG反射波长的改变［7］。

FBG方程式可表示为

式中 λB为FBG的中心波长（nm），neff为光纤的有效折射率，Λ为Bragg光栅的栅距（μm）。

FBG只受温度影响时，传感器的FBG波长可视为外部温度（T）的函数，波长移位可表示为相对于光栅初始状态（T0）的变化

通过泰勒级数展开并取一级近似，则FBG中心波长的移位与温度的关系为

式中 ΔλB为温度相对于初始状态的变量，（nm），∂λB/∂T为对T的偏导数，引入应变量Δε=ΔΛ/Λ，代入式（5）得如下表达式

式（7）可写成

式中ST=αΛ+αn为FBG的温度敏感系数，℃－1。当温度发生变化时，FBG的中心波长移位与光纤的热膨胀系数和热光系数有关。

2 绝缘子保护的FBG温度传感器的性能测试

试验中，利用恒温槽加热并用二级精度的水银温度计作为测量标准。恒温槽工作温度范围是－10～90℃，温度波动度为±0．01℃/30 min，当恒温槽中温度接近设定温度时，温控系统根据感温器测得的温度来控制混合区内的加热器工作，热量经搅拌系统搅拌均匀后的介质送入极少受外界干扰的工作区，从而制造了一个恒温的环境;此时，将待测试的传感器和精度为0．01℃的温度计放置到恒温槽的介质中，传感器的输出信号可通过光谱分析仪解调出反射中心波长，同时通过望远镜读取水银温度计的指示值［8］。待测试的传感器对不同的温度输出与之对应的波长，将读取的温度和波长进行比较，得到表征两者对应关系的曲线，进而得到传感器性能指标的测试结果。测试系统见图3。

对传感器做20次从20～90℃的升温试验。过程中必须要注意，待恒温槽内的介质处于设定温度值时，通过望远镜读取温度计的温度。

图3 测试系统示意图Fig 3 Schematic diagram of test system

利用最小二乘法［9］，可得FBG波长移位量与温度的拟合曲线，见图4。

图4 FBG波长与温度的关系曲线Fig 4 Curve of relation between FBG wave length and temperature

传感器的灵敏度［10］是在其静态工作条件下，单位输入所产生的输出，可以表示为

图4中，拟合曲线的斜率表明传感器的温度灵敏度系数为10．2 pm/℃，线性度［11］是指测量的实际曲线与拟合曲线的最大差值与量程的比值，可以表示为

根据线性度的计算公式，可得到该传感器的线性度为0．70%FS。

3 结论

研制了一种具有绝缘子保护的FBG温度传感器，选择硅橡胶憎水性材料和一体成型的结构完成传感器的加工制作。光纤由绝缘子保护，使得传感器可以安全工作在高电压环境中。对具有绝缘子保护的FBG温度传感器进行性能测试试验，通过对试验数据分析和计算得到该传感器的温度灵敏度系数为10．2 pm/℃，线性度为0．70%FS。

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