分布式光纤光栅传感器在干式空心电抗器的应用

张洁，谭向宇，王科，崔志刚，马仪，伍阳阳，徐鹏

(1.华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217；2.华北电力大学，河北 保定 071003；3.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；4.昆明理工大学，昆明 650500)

分布式光纤光栅传感器在干式空心电抗器的应用

张洁1，2，谭向宇1，3，王科3，崔志刚3，马仪3，伍阳阳1，2，徐鹏1，4

(1.华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217；2.华北电力大学，河北 保定 071003；3.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；4.昆明理工大学，昆明 650500)

介绍了一种分布式光纤Bragg光栅传感器 (fiber bragg grating，FBG)系统，通过在电抗器各包封层内多点预埋温度和应变传感器来测量包封层内的温度和经温度补偿后的应变拉力。经干式空心电抗器固化温升实验过程中的在线监测，其结果证明了该系统可准确测得干式电抗器包封层内的温度和应变拉力的变化趋势，将为变电站内干式空心电抗器实时监测提供重要的理论依据。

光纤Bragg光栅；干式空心电抗器；温度；应变；在线监测

0 前言

干式空心电抗器具有低损耗、低噪音、电抗值线性度好、设计寿命长、维护简单等优点，在电力系统中应用越来越广泛。该设备在系统中主要起限制合闸涌流、限制短路电流、补偿杂散容性电流、滤波等作用。干式电抗器属于免维修类设备，而其受监测方法较少，主要有采用红外成像仪对干式电抗器定期跟踪测温、在干式电抗器下方安装温度在线监测仪、将温度传感器直接贴于干式电抗器包封壁上等方法[1-2]，但是存在着有效监测面较窄、监测过程不连续、测量精度不高、需外接工作电源等缺点，其实际应用效果较不理想，不能及时发现电抗器发热点，从而电抗器烧毁现象时有发生。近年来，云南电网公司系统内连续发生了多起35 kV干式电抗器烧损事故，给电网安全稳定运行带来了不同程度的威胁[3-5]。经调查研究，干式电抗器烧毁主要是由于长时间运行过程中温度骤变热胀冷缩作用下包封层绕组内部导线绝缘劣化，从而发生匝间短路所致。

基于光纤Bragg光栅传感器可提供了一种波长编码的绝对检测，且绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、耐高温高压、无源检测、结构简单、尺寸小、易贴附等优点[6]，本文研制了一种同时测得温度和应变的分布式光纤Bragg光栅传感器系统，利用光纤Bragg光栅中心波长移位对温度和形变的响应，对干式电抗器包封层内部温度和形变进行在线监测，很好的解决了干式电抗器包封层内部温度和应变测量的难题，提供了一种间接监测绕组导线匝间绝缘程度的技术手段。

1 传感器系统的原理、结构及标定

1.1 FBG的温度和应变响应原理

当宽带光在FBG中传输时，其反射光波长应符合Bragg定理：

式中，表示光栅周期；neff表示光纤有效折射率。根据光纤Bragg光栅其Bragg波长移位与温度变化成线性关系，即：

式中，αΛ，αn为光纤的热光系数，ST为光纤Bragg光栅的温度敏感系数。

根据如上原理，本文设计的分布式传感器的光纤Bragg光栅温度传感器将由光纤光栅、陶瓷套管和聚四氟乙烯组装而成的，传感器一端的光纤放置在聚四氟乙烯套管中，并采用环氧树脂封装在陶瓷套管内，而光纤另一端引出部分与耦合器或解调仪相连。其中，测温光栅一端与光纤相连固定在陶瓷套管上，而另一端自由悬空以保证该传感器仅受温度影响，参见图1。

图1 光纤Bragg光栅温度传感器结构

由于光纤光栅对温度灵敏，因此，光纤Bragg光栅传感应变力时，将产生温度效应与应变效应的交叉敏感问题[7]。1989年 Morey报告[8]，当FBG同时受轴向应变和变化的温度作用时，FBG的Bragg波长位移可表示为：

式中，SE，Δε表示光栅的应变效应，SE为应变敏感系数，STΔT表示外界温度变化对光栅的影响，ST为温度敏感系数。因此FBG应变传感器测应纯应变拉力时，可采用温度补偿方法。本文设计的分布式传感器的光纤Bragg光栅应变传感器如图2所示。

图2 光纤Bragg光栅应变传感器结构

文中将采用同时布置光纤Bragg光栅温度传感器和应变传感器，该处布置的温度传感器测得的温度将主要作为对应变传感器的温度补偿，因此仅由应变拉力引起的Bragg波长移动量Δλg可通过实测应变传感器的到得波长位移ΔλB减去只有温度变化引起的应变传感器波长位移ΔλBT得到，即

针对实际实验中布设的FBG温度传感器和应变传感器其参数不同的情况，需将温度传感器得到的波长位移转化为应变传感器仅由温度引起的波长位移，从而得到所测试品滤除温度效应以后的应变力公式，即：

式中：ST、SE分别表示光纤Bragg光栅应变传感器的温度系数和应变敏感系数，为FBG应变传感器测得的波长，λ0其初始中心波长；(ST)T表示同时布置的光纤Bragg光栅温度传感器的温度系数，λ∗为其经温度影响后测得的波长值，λ∗0为相应的初始中心波长。

1.2 分布式FBG传感器系统的结构设计

针对需同时监测干式空心电抗器包封层内部不同空间点的温度和应力的要求，以便及时了解干抗的匝间绝缘情况，本文设计了基于波分复用的分布式FBG传感器以及相应的检测系统，实现了多光线传感器的复用以及数据融合，满足了应变和温度的不同测量要求，大大降低了整个系统的成本，减少了连接光纤的数量，更适用于复杂条件的检测。实验中在干式电抗器内部不同位置植入不同数量和种类的光纤光栅传感器，通过耦合器将分布在电抗器内各传感器的光信号耦合，并经光纤多路传输和调制连接到终端解调仪中，终端PC机将解调仪处理过的数据按照相应的传感器模型处理方案得到所需的温度和应力，如图3所示。

图3 分布式FBG传感器系统的结构

1.3 实验用分布式FBG传感器标定

考虑到光纤材料的不同，写入光栅工艺的差异，均会对光纤光栅的灵敏度造成影响，因此，FBG传感器需要经过标定试验后才能精确测温和测应力。实验首先应对将在容量为20 000 KVar/ 35 kV干式空心并联电抗器试品装设的FBG温度传感器T12，T19，T21进行温度标定。标定实验系统由恒温槽，光纤光栅传感网络分析仪，二级水银温度计、FBG温度传感器等设备组成，具体实验测试如图4所示。按照标定温度传感器的相关规定，对以上3支传感器分别做两次从20℃ ～90℃的升温试验，温度每升高10℃ 记录一次波长移位值。根据2次温度标定实验记录的波长，可以得到两次实验波长的算术平均值，计算线性度的拟合曲线选用最小二乘法获得，图5示出T12，T19，T21算术平均值与温度的拟合曲线，相关数据见表1。

图4 温度标定实验测试图

图5 FBG温度传感器T12，T19，T21拟合曲线图

表1 FBG温度传感器T12，T19，T21相关数据

应变传感器S1、S12的标定应包括纯温度实验和纯应变实验，以得到公式 (6)(7)中的参数ST、SE。

应变传感器的纯温度实验标定过程与前述温度标定实验过程相同。其纯应变实验，在常温下进行，采用直拉式方法，通过逐级加载砝码对FBG应变传感器进行应变分析。在实验正式开始之前，必须进行若干次载荷重复加卸循环的预载试验，之后弹性元件的变形关系才趋于稳定。具体装置如图6所示。根据1应变对应4.04 N，可得出常温下FBG应变传感器波长位移同应变的线性关系。应变传感器S1、S12温度特性测试与应变拉力测试结果如表2所示，拟合曲线如图7所示。

图6 纯应变标定实验测试图

图7 FBG应变传感器S1、S12的相关拟合曲线图

表2 应变传感器的相关数据

2 传感器在干式空心电抗器中的实验

文中采用该分布式FBG传感器系统检测干式空心电抗器在固化温升过程中其包封层内部温度和应变拉力的变化趋势，使用容量为20 000 kar/ 35 kV干式空心并联电抗器作为试品，并对光纤Bragg光栅温度传感器和应变传感器的布点位置做了相应的设计。

在对干式空心并联电抗器做预埋及固化温升实验的过程中，将分布式FBG传感器系统中测温部分和应变部分均埋设在如图8所示第五层包封的玻璃丝带外层 (共11层包封)，且测应力部分将采用2支应变传感器S1、S12与1支温度传感器T21布设在一起。其余测温部分的温度传感器T12，T19将与侧应力部分沿周向间距120°均匀埋设，具体埋设如图8所示。

干燥室固化温升过程中，在线监测预埋在干式电抗器第五包封层的分布式FBG传感器所得的结果如图9，10所示。

从图9可知，分布式光纤Bragg光栅传感器系统中的三支温度传感器T12，T19，T21测得的温度变化趋势与炉温监测系统的温度基本是相同的，测温结果很合理。同时T12，T19，T21测得的温度基本相同，而三只传感器测得的温度之间微弱的差异也说明了干式电抗器包封内绕组不同位置处受外界温度影响的程度是不同的，也从侧面说明了不同位置的匝间绝缘受外界影响也是不同的。

图8 干式空心并联电抗器中分布式FBG传感器的预埋情况

图10示出了径向布设的S1和轴向布设的S12经温度补偿后的应变值，以及该应变值与作为温度补偿的T21测得的包封层内该点温度变化的关系。从该图可知，温度变化造成的应变拉力与干式电抗器对光栅的纯应变拉力是反向的，同时品字形布置传感器处测得的温度与纯应力的变化趋势是相同的，该点符合实际情况。从测得数据可知，电抗器包封层内温度的变化会导致纯应变拉力与温度变化造成的应变拉力有较大的变化，经计算最高可达3 109，将对干式电抗器的绝缘很不利。

图9 FBG温度传感器T12，T19，T21与炉温监测系统之间的温度变化关系

图10 温度补偿后S1、S12测得的应变拉力间的关系

3 结束语

针对需同时监测干式空心电抗器包封层内不同空间点的温度和应变拉力，以便及时了解干抗匝间绝缘的需求，本文设计了基于波分复用的分布式光纤Bragg光栅传感器系统，提出了一种应变和温度测试电抗器预埋式绝缘性能监测技术。在干式空心电抗器生产流程中最关键的固化温升环节中，通过在线监测已预埋的分布式FBG传感器测得的温度和应变拉力，证明了温度的变化对匝间绝缘有较大的影响。实验结果证明了该系统可以较为准确的测得干抗包封层内不同点温度和形变，为避免故障发生以及寻找故障点提供了很好的依据。

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Application of Distributed Fiber Bragg Grating Sensor System in Dry-type Air-core Reactor

ZHANG Jie1，2，TAN Xiangyu1，3，WANG Ke3，CUI Zhigang3，MA Yi3，WU Yangyang1，2，XU Peng1，4
(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University and Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；3.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；4.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

During the long-term operation of dry-type air-core reactor，the environment which shows high temperature，high pressure and strong magnetic field environment，seriously affected the winding inter turn insulation，threatening the safe and normal operation of it.The distributed fiber bragg grating sensor system can measure the temperature and temperature-compensated strain tension within the encapsulated layer，through multi point embedded temperature and strain sensors.Proved by the curing temperature experiment，the system can accurately measure the change trend of the temperature and strain within encapsulated layer，which will provide the important theory basis for real-time monitoring of substation dry-type air-core reactor.

fiber bragg grating(FBG)；dry-type air-core reactor；temperature；strain；online monitoring

TM45

B

1006-7345(2015)03-0020-05

2014-10-19

张洁 (1989)，女，硕士，华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，从事电力系统运行、分析与控制研究工作，(E-mail)43657016＠qq.com。谭向宇 (1981)，男，博士后，云南电网有限责任公司与西安交通大学联合培养博士后工作站，从事高电压与绝缘技术方面研究工作， (E-mail)89579253＠qq.com。

王科 (1982)，男，硕士，云南电力试验研究院 (集团)有限公司电力研究院，从事特高压污秽绝缘子试验、绝缘子带电考核在线监测等研究工作，(E-mail)wangke＠csg.cn。