光纤光栅测温技术在电气设备中的应用研究

杜培东，张建华，郑晶晶，王庆玲，韩永军，岳新峰，刘玉红

（1.国家电网公司甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730050；2.宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司，宁夏银川 750000；3.国家电网公司平凉供电公司，甘肃平凉 744099）

光纤光栅测温技术在电气设备中的应用研究

杜培东1，张建华1，郑晶晶1，王庆玲1，韩永军1，岳新峰2，刘玉红3

（1.国家电网公司甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730050；2.宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司，宁夏银川 750000；3.国家电网公司平凉供电公司，甘肃平凉 744099）

针对电气设备热故障引起绝缘能力下降并导致击穿，光纤光栅传感器由于耐高温、抗干扰性强、防水、远距离光纤传输等特性得到广泛应用，介绍了其在电力、铁路、桥隧、发电等领域中的一些典型监测方案，基于某牵引变电所的现场试验数据知：传感器测温分辨率0.1℃，误差在±2℃之内，报警灵敏度高，说明该技术具有很高的可靠性和稳定性，对于高压设备关键部位的绝缘监测具有很强的实用性。

光纤光栅；监测方案；现场试验

1 原理简介

光纤光栅是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论，λB=2nΛ的波长被光纤光栅所反射回去（其中λB为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率）。

反射的中心波长信号λB，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为[1]：

图1 光纤光栅传感器工作原理

图2 传感器反射波长变化曲线

传感器的中心波长是通过光纤光栅传感分析仪进行解调，转换为数字信号[2]。其工作原理为：系统工作时，光纤光栅传感分析仪内部光源发出连续的宽带光，经光缆传输到监测现场布设的光纤光栅温度传感器，传感器内部的测量敏感元件（光纤光栅）对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，经同一传输光缆返回到光纤光栅传感分析仪内部探测器来测定各个传感器所返回的不同窄带光的中心波长，从而解析出各监测点的温度值。由于多个传感器所返回的窄带光信号中心波长范围不同，所以可以将这些传感器串接组网实现多点同时测量，大大简化了传感器及引出线的布设，避免了以往逐点测量的不便。

2 电气设备温度监测方案

电气设备绝缘故障及温度过高经常发生在终端头、触头等电气、机械连接处，如表1所示。

表1 常见的供变电设备温度异常位置统计

2.1 光纤光栅传感器安装步骤

（1）清洁被测物体表面

将被测物体表面的灰尘、铁锈、污物等清理干净，如果有条件可以用酒精棉擦拭。

（2）盘纤

根据实际情况，对于被测物体表面只能采用单端出光缆的测点位置，采用盘纤。将传感器的其中一端光缆按照图3所示盘纤，盘纤直径不小于50 mm，盘完后，将两端光缆并在一起，用绝缘胶带分段捆扎，每段长度0.5 m左右。

（3）固定捆扎光纤光栅传感器

传感器外形如图4所示，将感温区涂上适量的导热绝缘胶，安装于被测物体表面。

图3 传感器盘纤方式

图4 传感器外形示意图

2.2 光纤光栅传感器安装方式及监测方案

（1）直线状方式：被测温对象为电缆、管道、隧道等时，直接把温度传感器布设在被测对象的外表面，并加以固定，有条件的地方，可将光纤嵌入到测温对象的保护套内，实现一体化。监测方案如图5。

图5 直线安装式监测方案

（2）立体方式：被测温对象为变压器、发电机定子等时，可把测温传感器立体地布置在变压器的不同位置，或把温度传感器嵌入发电机定子的线槽内。如图6所示。

图6 传感器立体安装方式

（3）星型拓扑结构方式：被测对象为开关柜等时，监测方案如图7。

2.3 拓展应用

图8为动态载流量分析系统（DRS）简单示意图，该系统接收来自OTS测量得到的电缆表面温度、电缆环境温度信息以及来自SCADA系统的电缆负载信息，采用实时热模型和算法，将测量得到的温度实时地转换为导体温度，同时计算分析动态额定载流量，从而合理控制电力源，既可以做到充分利用电缆的传输能力，又可以确保电缆的安全[3-4]。

图7 星型拓扑式监测方案

图8 动态载流量分析系统

3 应用分析

对某直接供电方式下220 kV牵引变电所电缆温度监测系统，变压器每相电缆安装21个光栅传感器（断路器控制柜至变压器二次侧终端头）如图9，2号主变监测方案与1号主变相同。

为验证光纤光栅测温系统的可靠性，做两种试验，一是精确度试验；对1～5处拐弯共计15个光纤温度传感器所实时显示的温度与便携式Raynger 3i系列红外测温枪所测的温度做对比，如图10，两者所测温度基本相近，差值在±2℃之内；二是报警响应试验；对电缆沟拐弯4-3处温度传感器用工业电吹风（最高温度可达500℃）加热，查看系统报警灵敏度及传感器温度变化曲线，如图11，当加热时，后台监测系统显示该点温度迅速上升，由于系统是每分钟采集一次温度值，当后台显示温度由60.4℃上升到65.9℃时（电缆温度报警定值65℃），报警系统动作。这两项试验充分说明光纤光栅测温技术能很好地反映电缆温度的大小，对于负荷电缆、电气连接处、断路器触头等部位的绝缘在线诊断具有很大帮助。

图9 1#主变A相电缆温度监测运行图

图10 光栅温度与红外枪温度对比曲线

图11 光栅传感器加热温度变化曲线

4 结论

本文介绍了光纤光栅测温技术应用在电缆终端头、发电机组、开关柜等电气设备中的监测方案及布线方式，基于某牵引变电所电缆温度在线监测系统，由于变压器正常运行，不选择电缆终端头，只对电缆沟1～5处拐弯共计15个光纤光栅温度传感器所实时显示的温度与便携式Rangers 3i系列红外测温枪所测的温度作对比试验，结果表明两者所测温度基本相近，差值在±2℃之内；另外，对电缆沟拐弯4-3处温度传感器用工业电吹风加热进行试验，当采集温度为65.9℃时（电缆温度报警定值为65℃），声光报警系统动作。这两项试验说明光纤光栅测温技术能很好地反映电缆温度的大小，通过对电气设备关键部件运行温度监测可有效地诊断其绝缘状态，防止过热导致绝缘击穿或火灾的发生。

［1］于强敏.分布式光纤测温系统研究［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999.

［2］张晓虹，蒋雄伟，王振华，等.分布式光纤温度传感器在交联聚乙烯绝缘地下电缆故障检测中的应用［J］.电网技术，1999，23（12）：36-38.

［3］马国栋.电线电缆载流量［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［4］彭超，赵健康，苗付贵，等.分布式光纤测温技术在线监测电缆温度［J］.高电压技术，2006，32（8）：43-45.

The Application Research of Optical Fiber Bragg Grating Temperature Measurement Technology in Electrical Equipment Temperature Monitoring

DU Pei-dong1，ZHANG Jian-hua1，ZHENG Jing-jing1，WANG Qing-ling1，HAN Yong-jun1，YUE Xin-feng2，LIU Yu-hong2
（1.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou730050，China；2.Ningxia Datang International Dam Power Generation Co.，Ltd，Yinchuan750000，China；3.National Grid Pingliang Power Company，Pingliang744099，China）

As electrical equipment insulation decrease and lead to breakdown caused by heat fault，fiber bragg grating sensor has many advantages such as high temperature，strong interference resistance，waterproof，long distance fiber optic transmission，has being applied broadly.Herein，this paper introduces some typical monitoring schemes which has practiced in electric power，railway，bridge and tunnel，power and many other fields.According to the traction substation test data，temperature resolution of 0.1℃，error within± 2℃，high alarm sensitivity.This findings dates suggest that the technology has high reliability and stability，and it is very practical for high voltage equipment key parts of insulation monitoring.

fiber bragg grating；monitoring scheme；engineering testproperties

TM855 TP274

A

1009－9492(2014)02－0012－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.004

杜培东，男，1986年生，甘肃靖远人，硕士，工程师。研究领域：高压电气设备绝缘评估与状态检修。

(编辑：阮 毅)

2013－08－23