基于光纤传感的电力设备温度监测

崔嘉，赵霞，方玄，张恩隆，吉俊兵

(1.国网山西电力公司临汾供电公司;2.江苏法尔胜光电科技有限公司)

0 引言

二十世纪七十年代以来，光纤传感技术伴随光纤通信技术的发展而蓬勃发展，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其它载体和媒质难以相比的优点。光纤传感技术具有防电磁干扰、电气本征安全和可靠性高的特点，在强电磁场存在的场所，采用光纤传感技术来实现温度的在线监测已成为大家的共识［1］。而且光纤传感尺寸小，容易实现在电力设备内部布设。将光纤传感技术应用于电力设备测温预警，实现了电力运行设备的实时在线检测，通过对设备实时数据的分析和预测，防止事故的发生，真正地做到防患于未然。其次也为今后实现状态检修，提高检修效率，大大降低检修成本和管理成本起到关键的作用。

1 光纤测温技术简介

按照光纤测温的原理和作用，光纤测温分光纤光栅测温技术与光纤分布测温技术。光线分布式测温技术是在上世纪七十年代末提出，随着光时域反射(OTDR)技术的出现而发展起来的，是一种利用激光在光纤中传输时产生的背向喇曼散射信号和光时域反射原理来获取空间温度分布信息的监测方法，它将传感光纤沿场分布，并采用相应的探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布及随时间变化的信息进行检测或监控［2-4］。

光纤光栅测温技术主要器件是布拉格光纤传感器。加拿大通信研究中心首先发现光纤光敏性，并且采用驻波写入法获得自感应光栅。到1993年光纤敏化技术的进步和相位掩模板的使用使光纤光栅实现批量生产。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。实际工程中所用光纤是一种在纤芯中加入了光敏材料的特殊光纤，利用光敏光纤的光折变效应，用紫外激光向光纤纤芯侧面写入，紫外曝光后会使纤芯的折射率增加，形成折射率周期变化的光栅结构，通过测量反射光波长的变化，从而测得被测物体的温度。这种温度传感器容易维护、更换。这些特点决定了光纤光栅温度传感器是更适合于电力温度测量的技术手段［5-6］。

2 变压器温度监测

2.1 光纤传感器灵敏度改进

一般光纤光栅温度传感器的封装在金属壳体中，但是电力设备要求传感器具有绝缘特性，因此采用陶瓷材料的壳体进行封装达到电力系统中使用规范。此外，由于应变也会引起光纤光栅的反射波长变化，为隔离应变对光纤光栅反射波长变化的影响，目前大部分的封装都将光纤光栅悬空于壳体内部。但此种制作方法降低了热传导的速率，影响传感器的灵敏度。市场上部分产品直接在光纤光栅与封装壳体空隙间注满导热油。此种做法会导致在温度升高时，油受热膨胀使得壳体破裂，损坏传感器。

为了解决上述问题，本文提供一种应用于电力设备的光纤光栅温度传感器封装。在封装壳体的两端安装两个弹性块，将光纤光栅安置于指定位置，然后注入导热油填满剩下的空隙。密封完毕后，导热油在温度升高时会膨胀，两端的弹性块受压收缩，避免造成壳体破裂，因此导热油能增加传感器灵敏度，且不会在高温时损坏封装结构［7-8］。

具体如图1所示，通过模具加工出如图所示的结构外壳2(图1-2)，两个特定形状的弹性块4-1与4-2分别固定于外壳2的两个凹槽9-1、9-2内，在内部空腔注入导热油，最后将制作好的光纤光栅穿过孔8(图1-3)以及弹性块，在设计长度处用胶水将光纤护套固定于封装外壳，完成光纤光栅温度传感器的制作［9-10］。

图1 总体结构

2.2 电力变压器内传感器设计安装

变压器运行中绕组温度过高会导致绝缘老化、烧毁、击穿等一系列事故。油浸变压器有6℃法则，即变压器运行温度每升高6℃，其寿命减少一半，每降低6℃其寿命增加一倍。因此对变压器进行温度无论从安全性还是经济性考虑都是非常必要。

电力变压器分干式与油浸式，市场上一些公司将光纤传感技术应用与干式变压，此种做法不是十分合适。首先干式变压器依靠空气对流进行冷却、体积小、机构简单。传统的温度监测手段(铂电阻测温)能够满足要求，其次干式变压器本身价格低廉，如安装一套光纤温度监测系统成本将大幅度增加，市场推广难度大。基于以上因素考虑，本文将主要针对油浸式变压器进行传感器的封装设计及安装方式探索。

研究人员尝试将光纤光栅测温技术应用于油浸式变压器已经持续多年，一直存在一些技术上的问题。

(1)材料:传感器封装结构与尾纤长期浸泡在油箱中，整体温度传感器需兼容变压器油化学环境，确保产品的长期性、可靠性。

(2)引出方式:油浸式变压器整体密封，尾纤的引出需考虑绝缘性与防渗漏，同时不能影响箱体的机械强度

为解决以上技术难题，光纤采用特种耐高温光纤，此种光纤具有良好的高温条件下光学性能、机械性能的稳定保持特性，具有高低温连续剧烈变换时的性能稳定保持特性，能适应电力系统环境中的使用要求;光纤光栅的封装材料为感温陶瓷材料绝缘耐压、抗油污，兼容变压器的化学环境;传感器尾纤采用内外双层护套设计，外层材料选用特氟龙，充分考虑变压器制作工艺流程，满足施工过程中高温、渗油、高强度和可柔性的特点，最终设计产品如图2所示。

光纤光栅温度传感器尾纤的引出通过特殊贯通器结构。油浸式变压器的设计阶段在壳体上预留适当的圆孔，贯通法兰盘与圆孔紧密固定，贯通法兰盘根据实际的需要进行定制，如图3所示。

图2 外壳结构

图3 端面

贯通器是用来连接变压器腔体内外的光纤，采用特殊工艺连接的机械与光学混合组件，具有长期可靠的密封性和耐油性，贯通器与贯通法兰盘的连接如图4所示，由此实现腔体内外光纤对接，最后将整个贯通装置密封于金属防护罩内，用于保护贯通器与转接光缆部分免受外部的损伤。

图4

3 系统集成

变压器内部一般监测绕组、铁芯与填充油的温度，一台变压器需测量的温度点根据实际情况为6到9个，而少有多台变压器集中安放的情况，因此监测点总数较小;而市场上光纤光栅解调仪的通道数为8路、16路、32路甚至更多，每个通道可接受12个以上的传感器数据。如果只是监测变压器的温度，解调仪端口的大量冗余，造成浪费资源，间接增加总体工程成本，不利于产品的推广。目前采用光纤光栅技术在线监测开关柜与电力电缆温度已经比较成熟，所以考虑将变压器、电力电缆以及开关柜的测温集成到一个系统，充分利用资源，节约成本。

如图5所示安装于变压器、开关柜等电力设备内部的光纤光栅温度传感器可以通过串联或者并联的方式相连接，形成温度感知网络，每个光纤传感器将被测物的温度信息通过通信光缆传送到解调仪，解调仪将光信号转换成计算机能识别的电信号提供给工控机，最后所有信息统一汇总到监控中心。

图5 系统结构图

4 结束语

针对目前市场上油浸式变压器温度监测的不足，本文提出采用特种光纤、特殊传感器封装材料、尾纤双层保护以及定制贯通器能有效的完成对变压器的温度监测，对保证电力设备的安全运行具有重要意义。

由于光纤光栅解调仪的核心技术被国外控制，导致其价格较高，在与传统监测技术的竞争中处于不利地位。基于成本考虑，文中提出系统集成概念，将变压器、电力开关柜、电力电缆等不同部位的监测统一集中，充分利用解调仪的资源，有效节约成本，有利于技术产品推广。

［1］郭团，乔学光，贾振安.光纤光栅传感技术及其在石油工业中的应用［J］.测试技术学报，2004，18(3):208-213.

［2］吴朝霞，吴飞.光纤光栅传感原理及应用［M］.北京:国防工业出版社，2011，12(4):45-48.

［3］方富波.基于单片机的光纤Bragg光栅传感器的解调系统［J］.光学精密工程，2002，(6):173-178.

［4］方富波，刘有源，陈定方.单片机在光纤Bragg光栅传感系统中的应用［J］.武汉理工大学学报，2002，(2):146-154.

［5］丁锋，王粉艳，王云建，等.一种光纤光栅振动与温度同时区分测量的解调方法［J］.传感技术学报，2012，4(3):78-81.

［6］滕峰成，尹闻闻，吴飞，等.闪耀光纤光栅的应变特性分析［J］.仪器仪表学报，2006，2(2):1056-1057.

［7］吴朝霞，李志全，吴飞，等.啁啾光栅解调的FBG传感阵列系统研究［J］.仪器仪表学报，2006，(6):1677-1678.

［8］蔡璐璐，吴飞，王玉田.相移光纤光栅特性分析［J］.中国激光，2009，36(8):2070-2075.

［9］MAURIZIO TORMEN，SILVIA GHIDINI，PAOLA CRCSPI，et al.Randomly sampled apodization in bragg gratings［J］.Journal of Lightwave Technology，2006，24(4):1896-1902.

［10］PATRICK H J，CHANG C C，VOHHRA S T.Long period fiber gratings for structural bend sensing ［J］.Electron.Lett.，1998，34(18):1773-1775.