基于光纤传感的输电导线温度监测研究

梁仕斌，张江涛，张崇兴，赵振刚，王发志

(1. 云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南 昆明 650217；2. 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；3. 云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000)

0 引言

输电导线温度深刻影响着输电线路的输电能力，为了增加输电容量，提出了静态增容技术[1]，而这不可避免的由于输电线路负载的增加导致输电导线温度升高。若输电导线的温度提高的很快，那么会减小了输电导线对地的空气间隙距离，从而带来了很多危害。

为了确定最好和最安全的载流能力，必须对输电导线进行实时的、精确的温度监测。传统的测量温度方法是将点式感温装置放于线路中易发生故障的地方来监测温度。缺点是此方法当处于恶劣环境中时，可靠性较差，容易发生误警[2]；采用红外测温技术对电缆表面温度进行测量，能够实现非接触式测温，比较安全，适合单点测温。此方法虽然能够补充电缆局部测温的不足，但采用红外技术在线测温时，容易受到其他因素的影响[3]。传统的电信号传感器存在着布设繁杂，系统安装、维护工作不够简便，设备容易损坏等缺点。与电测量传感器相比，光纤传感器有耐腐蚀、传输距离远、抗电磁干扰、无需野外电源等等优点[4-8]。

鉴于输电导线温度监测存在的各种问题，基于光纤光栅传感技术[9-15]，研制了一种FBG温度传感器以及传感器夹具，通过测量光纤中心波长的变化反映导线温度的变化，这种光纤光栅传感器不仅安装简单、在恶劣环境下使用寿命长，而且克服了传统的电学量温度传感器易受电磁干扰的缺陷。结合现场的导线温度监测数据，实现了对导线温度的长期在线监测，为直流融冰等除冰过程提供数据支撑，以保障电网的安全运行。

1 光纤光栅温度传感器的设计

1.1 温度传感器的工作原理

根据耦合模理论，光纤布拉格光栅的中心反射波长可以表示为：假设光纤受到外因素影响时，Λ和neff会发生变化，光纤反射波长也会发生变化。其关系式为：

关于上面公式，当只有温度发生变化时，其光栅周期变化为：

式（3）中热膨胀系数为α。热光系数引起的折射率变化为：

式（4）中热光系数ξ表示是折射率随温度的变化率。因此FBG的温度灵敏度系数：

假设要把光纤光栅用于实际的传感，我们就必须对FBG的灵敏度进行增敏，方法通常是对光纤光栅进行封装。封装后温度传感器灵敏度系数为：

1.2 温度传感器的封装及安装

为满足现实应用的要求，在进行FBG传感器封装时，需要考虑以下因素：

（1）封装后的FBG传感器具有好的重复性和非线性误差；

（2）封装后的结构有足够的强度；（3）封装结构拥有良好的稳定性。

为了在进行结构设计时，保证传感器结构的应力稳定性，以排除不稳定力场对光纤光栅波长的影响。

1. 我们采用双金属结构的设计方法实现温度增敏，用于减小甚至消除FBG传感器对应力的敏感性质。当温度产生变化时，封装结构产生长度变化量的差转变为FBG的变化量，从而提高了FBG传感器的温度灵敏度。

2. FBG外的两头尽量保持松弛、不受拉力。用结构胶将小管两端光纤固定，待FBG两端固定后，往弧形小管里填充导热膏，加盖封装。因此FBG不会受到外面应力的影响。

通过采用不锈钢管对FBG进行封装，封装时只要让光纤光栅在钢管里保持松弛即可有效祛除应变的影响。根据光纤光栅对温度和应变的敏感特性，采用不受力的封装方式将其封装在外壳内，处于自由态，如图1所示。

图1 光纤光栅温度传感器封装Fig.1 Fiber grating temperature sensor packaging

外套金属管主要是保护光栅，内套金属管是让把光纤光栅固定在外套金属管上以使不锈钢管里的那段光纤光栅两侧形成的一定的交角，以保证光栅部分足够松弛。传感器的波长变化仅与温度有关，使用专门设计的夹具将温度传感器与导线固定在一起，并与导线充分接触，打入入射光就能将导线的实时温度对应的传感器反射波长记录下来，通过波长与温度的公式换算，可以准确测得导线的温度。

本文所用的 FBG温度传感器的主要技术指标如表1所示：

表1 传感器的主要技术指标Tab.1 Main technical specifications of sensors

安装一根垂直方向的通道绝缘子在引流线上，通道复合绝缘子光纤顺着引流线到导线上，在导线的连接金具和导线上（距离线夹1200 mm）固定一个温度传感器。图2为导线温度传感器的部署结构图：

图2 温度传感器安装示意图Fig.2 Schematic diagram of temperature sensor installation

2 温度传感器夹具的结构设计

温度传感器安装在导线的表面，用于精确测量导线温度。由于导线自身材料、形状及工作环境限制，温度传感器宜采用抱箍的方式安装在导线上，固定夹具和导线之间增加硅胶垫，避免夹具和导线在长期运行过程中发生摩擦而损坏导线，温度传感器夹具如图3所示，其中2是导线，4是温度传感器，其余是夹具组件。导线光纤温度传感器夹具实物如图4所示。

在高压端输电导线上布设导线温度传感器，传感器位置以及光路如图5所示。

图中红色部分为光缆，安装方式按照图中所示，使用扎丝在光纤复合绝缘子、导线温度传感器出头5-10 cm的地方进行固定，每个固定点间隔距离（导线上0.5-1 m之间），杆塔固定使用设计的专用夹具固定，每个固定点间隔距离（杆塔上2-3 m之间），固定到光缆箱后，先丈量光缆到达光交箱的位置，然后将多余的光缆盘附在光缆箱内固定，最后接入光交箱。绝缘子低压端的尾纤连到光纤接续盒。

图3 温度传感器夹具设计Fig. 3 Design of temperature sensor fixture

图4 导线光纤温度传感器夹具实物Fig. 4 Wire optical fiber temperature sensor fixture object

图5 光纤复合绝缘子安装位置示意图Fig.5 Sketch map of installation location of optical fiber composite insulators

3 输电塔线状态监测系统

在线监测界面采用flash制作，主要显示各个监测区域实时监测的数据，点击flash界面上的任一监测区域可显示该区域当前的实时数据；除此之外，在监测数据发生报警时，还会在相应报警位置闪烁报警灯。在线监测模块是高压输电线路的核心模块，此模块一共可分成9个功能子模块如图6所示，数据接收、三维杆塔展示、光纤复合绝缘子监测、导线温度监测、导线微风振动监测、导线覆冰监测、微气象监测、杆塔倾斜检测，数据维护。

图6 在线监测模块Fig.6 Online monitoring module

时序曲线包括时序曲线和趋势分析两个部分。时序曲线可以显示特定区域特定传感器的历史数据曲线；趋势分析采用算法，依据历史数据分析推算传感器的未来数据。

4 实验结果及分析

为了检验传感器的实际性能，使用恒温箱对其进行了验证试验。试验布置图如图所示。将光纤光栅温度传感器放在恒温箱中，传感元件通过传输光缆和解调系统相连接。

实验过程如下：

（1）FBG温度传感器连接好并放置于恒温箱中，光纤接头从恒温箱侧面引出，连接到光纤光栅解调仪。

（2）调整恒温箱内的温度，从0℃开始，等待恒温箱内的温度保持稳定，再将温度上调 5℃，同样等待恒温箱内温度保持稳定后，直至温度为50℃。在实验过程中始终用解调仪读取并记录光栅的波长数据。

传感器的温度灵敏度标定结果（以0-50℃之间的数据绘图）。为确保数据稳定，取3组数据进行拟合分析，得到其拟合直线为 λ=0.0098T+1551.901。结合测温实验数据得到 FBG温度传感器的静态性能指标，传感器平均温度灵敏系数为9.8 pm/℃，分辨率为0.102℃，线性度为0.79%，如图7所示。

从图8中看出，研制的光纤光栅温度传感器具有良好的特性，因此可以用于现场监测导线的温度变化。

图7 光栅中心波长与温度的关系曲线Fig.7 Relation curve between center wavelength and temperature of grating

收集云南电网某110 kV输电导线2015年12月18日至2016年2月17日期间的导线温度和空气温度变化数据，如图8所示。

导线温度监测量和环境温度的变化趋势具有较好的一致性。运行和维护人员可根据监测数据开展输电线路的融冰特性等方面的研究，从而为输电导线的融冰启动、融冰过程和融冰效果提供数据支持。

5 结论

本文基于光纤光栅传感技术研制了用于监测输电导线温度的温度传感器和传感器夹具。通过标定试验表明温度传感器灵敏度 9.8 pm/℃，分辨率为0.102℃，线性度为0.79%。经过实际运行验证，采用光纤传感技术的导线温度传感器能够实现对导线温度的可靠准确监测。监测数据能够为直流融冰等除冰过程提供数据支撑，以保障电网的安全稳定运行。

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