基于光纤光栅的GIS导体温度巡检方法与装置

孙国霞 关向雨 舒乃秋 孔令明 金向朝 谢志杨

基于光纤光栅的GIS导体温度巡检方法与装置

孙国霞1,2关向雨1舒乃秋1孔令明1金向朝2谢志杨2

（1．武汉大学电气工程学院 武汉 430072 2．广东电网公司佛山供电局 佛山 528000）

针对 GIS设备导体温度监测和回路过热性故障预防，在分析光纤光栅测温原理和成像解调技术的基础上，提出了一种基于光纤光栅温度传感网络的 GIS导体温度巡检方案。通过现场温升试验建立了 GIS导体温度测量模型并根据相关标准制定了 GIS导体温度过热性故障判据。研制了可应用于不同 GIS母线温度测量的便携式巡检装置，设计了温度巡检装置的硬件系统和软件系统。现场实验表明该设备工作稳定，测温精度高，对于保障 GIS设备的安全稳定运行具有现实意义。

GIS母线 便携式 光纤光栅 温度巡检

1 引言

气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）导电回路中包含大量插接式触头，如母线连接点、闭合状态下的断路器和隔离开关触头等。由于在安装过程中存在装配公差和施工时的粗大误差，某些电气接点存在对接不同心、插入深度不足等隐患，在设备运行过程中由于对接处接触性能的退化引起接触电阻增大并导致触点异常温升，严重时导致母线接头烧毁并引发短路事故。随着大量新GIS设备投入运行于较早投运设备的老化，这类 GIS接头过热性故障发生频率呈现上升趋势[1-2]。因此开展对GIS母线接头的温度监测，预防过热性故障是十分必要的。

传统预防GIS导电回路过热性故障的方法包括设备安装后的回路电阻测量和红外测温两种方法[3-8]。回路电阻测量能够知道测量回路整体的接触情况，但无法知道回路内触点接触电阻的分布，因而很难发现潜在的接触隐患；红外测温精度较低，且受使用环境和使用距离的影响很大，无法测量内部的导体温度，也难以对多个触点的温度实施分布式测量。

光纤光栅温度传感器是一种无源温度传感器件，与传统的电测法相比较，具有信号传输距离长、抗电磁干扰，测温精度高等优点，近年来开始广泛应用于诸如变压器和断路器的温度监测中[9~10]。基于以上优点，本文提出了一种基于光纤光栅测温原理的GIS母线温度巡检方案，研制了便携式GIS母线导体温度巡检设备。

2 光纤光栅温度传感原理

光纤光栅是一种通过一定方法使纤芯折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，主要有布拉格光栅、啁啾光栅、长周期光栅等类型[11]。其传感原理如图1所示，当入射光经过FBG时，满足Bragg反射条件的波长λB的单色光被反射回入射端，其余光透射。当光纤周围的温度或应力发生变化时，将导致光纤纤芯折射率和光栅周期的变化，从而使光纤布拉格光栅的中心波长发生移动，通过检测布拉格波长移动的情况，即可获得待测温度或应力变化。

图1 光纤光栅传感原理Fig.1 Schematic diagram of fiber bragg grating sensor

根据耦合模理论，光纤光栅的中心反射波长可表示为

式中：neff为纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。

假设光纤光栅的应力场保持稳定，反射光中心波长仅受温度场影响。对式（1）进行微分运算可得反射波长与温度的对应关系

式中，α为裸光栅热膨胀系数；ξ为裸光栅热光系数。光纤的热膨胀系数和热光系数在一定温度范围内为恒定值，因此反射光的波长变化与温度变化成线性关系。

3 GIS母线温度测量模型

由于GIS设备的导电回路均安装在密封的金属壳体内，考虑内部绝缘和气密性，温度传感器不能直接置于导体上测量，文献[12]研究了 GIS母线设备的内外温度场分布，表明在GIS外壳上温度的变化可以反映导体的温度变化，为了研究内外温度分布对应的空间关系，进行了GIS母线实际模型的温升实验。铂电阻温度传感器安装在触头外缘母线上管壁上，如图2所示，通过气密的端子排与外部测试设备连接，装置内 SF6气压 0.4MPa，采用大电流发生器提供负荷电流，试验在封闭空间中进行尽量减小环境温度变化对测量结果影响。对试样分别施加不同负荷电流，待传感器读数稳定后记录温度值。实验结果如图 3所示。

图3 导体温升与外壳温升Fig.3 Temperature rise of conductor and tank

从实验结果可以看出，当GIS导体温度上升时，外壳对应点的温度也会升高，两者存在一个对应关系，因此可以通过对外壳温度推导母线和接头的温度。

根据实验结果可以确定三相共箱GIS母线温度与外壳温度的空间对应关系，结合现场 GIS的实际结构，GIS母线温度在线监测系统分为4个通道，包括60个温度监测点，每15只不同中心波长的光纤光栅温度传感器相互之间串联构成一个测温通道。3个通道分别用于不同间隔A相、B相和C相的温度监测，每个通道的测点包括触头和导体，其中触头测点位于正对触指的外壳上，导体测点位于正对母线中段的外壳上。第4通道悬空用于监测各间隔对应的环境温度。

4 系统硬件设计

4.1 系统整体结构

便携式GIS母线温度在线监测系统主要由光纤光栅传感器阵列、宽带光源、光开关、光耦合器、体相位光栅（VPG）、线阵探测器（InGaAs）、AD模块、DSP处理模块、存储模块及工控机组成。图4为系统硬件原理框图。

图4 系统硬件原理框图Fig.4 Block diagram of system hardware

如图4所示，GIS导体分布式测温基于波分复用技术与空分复用技术[13-14]获得尽可能多的测温点，由不同中心波长组成的 FBG温度传感器阵列布置在GIS管壁测温点。利用光开关实现不同通道传感器阵列的切换。宽带光源发出的光进入特定通道的光纤光栅传感器阵列后，当入射光与光纤光栅传感器反射波的中心波长完全匹配时，光纤光栅传感器都会向光耦合器反射与之唯一对应的反射光，反射光再经耦合器进入解调模块。在解调模块中，体相位光栅（VPG）将反射光进行空间分波处理并将反射光按光强信号区域划分；线阵探测器（InGaAs）可探测到不同光强的反射光信号，并将该光信号进行光电转换，输出具有一定幅值的电信号；然后送入数字信号处理器控制的模数转换器进行转换，数字信号处理器对数据处理完毕后，上传数据到触摸液晶屏显示，并通过存储器存储数据。

4.2 光纤光栅温度传感器研制

裸光栅灵敏度较低，约为10pm/℃，无法满足GIS母线导体的测温要求。因此将裸光栅进行增敏封装[15~16]，其方法为：将光纤光栅预拉伸后镀金，采用刚性焊接的方法将光纤光栅固定在铝合金基底上，依靠铝合金较大的热膨胀系数以提高光纤光栅传感器的灵敏度，研制成功的光纤光栅温度传感器如图5所示，封装后的波长温度关系如式（5）所示

式中，Pe为光纤的有效弹光系数，αs表示封装材料的热膨胀系数，αs＞α。

图5 铝合金增敏光纤光栅温度传感器Fig.5 Aluminum alloy sensitization FBG sensor

4.3 波长解调模块

设备采用基于体相位光栅（VPG）和线阵（（In-GaAs）图像传感器的成像法波长解调方案[17~21]，与常规解调方案相比，具有体积小、功耗低、重复性和可靠性高等优点，尤其适合便携式测温场合。波长解调模块包括光路部分与电路部分。

光路部分采用Bayspec公司生产的VPG单元和SONY公司生产的线阵探测单元，其中准直透镜的作用将从光纤光栅阵列反射光转变为平行光，进入VPG后不同波长的光被分开照射在线阵探测器的不同位置上，线阵探测器通过扫描将入射在光敏面的反射光强信息转换为 16进制电信号，并按时序串行输出到DSP。

线阵探测器转换的电信号包含了探测器上所有像素点上光照强度的无量纲功率值。解调单元通过相关的解调算法将无量纲的光功率值转换为无量纲的反射光中心波长值与无量纲的中心波长偏移量，前者对应特定的FBG温度传感器，后者对应该传感器温度变化量。解调处理单元采用DSP+ARM的双处理器结构，其中DSP采用TMS320VC33，主要负责将线阵探测器转出的无量纲的光功率值通过高斯拟合解调为无量纲的波长值和峰值功率，ARM采用低功耗的 STM32F103ZET6，主要负责将无量纲的波长值和峰值功率发送到上位机运算并控制光开关的通道切换。ARM 与 DSP之间通过 Dual RAM CY7C026进行数据交换。

DSP与ARM的通信协议采用数据驱动控制，在Dual RAM中设置DAT和CMD两个字段存储数据的读写控制信息，经DSP解算的无量纲波长值和峰值功率存储在DATA字段。其中ARM只能写入CMD字段，读取DAT和DATA字段，DSP只能读取CMD字段，写入DAT和DATA字段，波长解调流程如图6所示。

图6 波长解调流程图Fig.6 Flow chart of wavelength demodulation

波长解调采用基于高斯拟合的寻峰算法，由DSP运算完成，将线阵探测器解算单元中存储的 16进制无量纲光功率值转换为无量纲的光波长值与峰值功率值。由 ARM 将无量纲的光波长值转换为波长值与峰值功率，并计算两次采样间隔内光波长的偏移量。

5 系统软件设计

GIS母线温度在线监测系统的软件部分包括波长解调算法和人机交互界面两部分。其中波长解调算法采用 C语言与汇编语言混合编程，由 DSP完成运算并通过依靠事件驱动的通信规约发送给ARM。人机交互界面在WINDOWS环境下采用VB.NET开发，系统模块主要包括：传感器参数配置、采集控制、波长—温度转换、数据存储、故障诊断以及历史数据查询等。

上位机软件功能模块如图7所示，传感器设置模块设置GIS母线温度不同测点的光纤光栅温度传感器标定参数；数据采集模块负责读取 ARM 发送的反射光波长信息和光功率信息，波长温度转换模块的主要作用是将解调模块中的波长信息转换为对应测点的温度值，并根据一系列过热性故障判据判读GIS母线导体的工作状态，对发生的过热性故障提供预警。通过液晶触摸屏为用户提供人机交互界面。根据用户的需求进行存储、绘图、制表、设置等其他功能。

图7 软件功能模块Fig.7 Block diagram of system software

5.1 波长-温度转换

光纤光栅测温阵列所反射的光谱包含了该阵列所有传感器的波长信息，为了获得特定测点的温度变化需要采用合适的波长解调算法将多个波长复用的反射光信号逐一解调为特定测温点所对应的单一波长信号。

FBG反射光强在中心波长周围的空间分布曲线可以用高斯函数近似表达[22]为

式中，p0为 FBG中心波长处反射光强峰值；λ0为FBG反射谱中心波长；Δλ0为反射谱的3dB带宽。

为了正确判断波峰位置从而进一步得到反射光中心波长的偏移量，需要判断光功率峰值所对应的波长变化，常见的寻峰算法包括曲线拟合法、微分法、质心法、频谱相关法等。从计算速度和精度的平衡出发，本文选用高斯拟合法[22]进行波长解调。

DSP首先获取成像单元采集的无量纲光功率波形数据并运用高斯函数进行拟合处理，然后计算拟合函数峰值点对应的波长。

根据采集到的数据利用最小二乘法计算 c1、c2、c3的值，再利用关系式 x=c2/2c1计算中心波长的位置。

根据式（5），光纤光栅温度传感器反射光中心波长的偏移量与温度变化成正比关系，为了获得其波长温度关系，需要将制作的传感器置于恒温箱进行高低温循环试验，记录温控箱内的温度与传感器反射波长的线性关系和迟滞特性来分析传感器的性能。对符合要求的光纤光栅温度传感器采用二次曲线拟合获得波长温度关系。

5.2 GIS母线导体温度巡检流程

GIS母线温度巡检流程如图8所示，首先将待巡检的GIS母线管壁预先布设光纤光栅温度传感器网络，并将待测点的信息输入到便携式巡检设备中。巡检时，将巡检设备设置好对应站点信息并连接对应设备的测温网络，系统会自动检测传感器的连接状况并提示用户。传感器连接完毕后设置温度采集参数，巡检设备自动采集 GIS母线管壁上的温度并对 GIS导体温度进行诊断，当导体温度正常时，巡检设备保存巡检数据。当温度高于预警温度时，巡检设备发出导体温度过热警报并生成检修策略与故障日志。

图8 温度采集与判别流程Fig.8 Flow chart of temperature sampling and overheat diagnosis program

6 系统整机测试

在环境温度 25℃，相对湿度 30%～60%RH的实验室环境下进行了系统整机运行和实验，高低温箱型号MHu-225CNSA，其温度波动值为±0.05℃，采用FLUKE 51 ⅡTHERMOMETER作为标准温度监测仪表，其测温精度为±0.05℃。在测温过程中将温度变化范围设置为 5～60℃进行升降温实验，实验过程中同时记录标准温度值与光纤光栅测温设备的实测温度值，实验结果如图9所示，结果表明，该装置的温度测量误差在 0.3℃以内，符合 GIS母线的测温要求。

图9 温度-波长曲线Fig.9 Temperature-wavelength curve

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GIS Conductor Temperature Inspection Method and Device Based on Fiber Bragg Grating

Sun Guoxia1,2 Guan Xiangyu1 Shu Naiqiu1 Kong Lingming1 Jin Xiangchao2 Xie Zhiyang2

（1. Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Foshan 528000 China）

For the Purpose of GIS Bus conductor temperature monitoring and overheating fault prevention, a GIS conductor temperature inspection scheme using FBG temperature measuring network based on FBG temperature sensing and wavelength imaging demodulation technology was introduced. The GIS conductor temperature measurement model is established through the field temperature rise test and the GIS conductor temperature thermal failure criterion is established according to the standards. A portable GIS Bus bar temperature inspection device which contains hardware system and software system has been developed. The application showed that this equipment can be used for GIS busbar inspection, thereby reduce the cost of high precision temperature monitoring GIS equipment, discover GIS busbar overheating fault in time and guarantee the GIS equipment safe and stable operation.

GIS busbar, portable, Fiber Bragg Grating(FBG), temperature patrol measurement

TM930.1

孙国霞 女，1978年生，博士研究生，工程师，研究方向为电力系统及其自动化、高电压技术、在线监测、智能电网等。

中央高校基本科研业务费专项资金资助(2012207020208)。

2013-11-22 改稿日期 2015-01-22

关向雨 男，1986年生，博士研究生，主要研究方向为电气设备在线监测。