1 引言
高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測(cè)一直是電力工業(yè)安全運(yùn)行的重大課題之一,，但是由于觸頭處在強(qiáng)電磁場(chǎng)、高電壓環(huán)境中,，所以目前的監(jiān)測(cè)方法都是圍繞何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾和高電壓的隔離問題,，主要方法有感溫紙測(cè)溫、紅外溫度測(cè)量,、F-P 光學(xué)式測(cè)量,、感應(yīng)竊電方式測(cè)量、光纖傳輸方式和紅外無線傳輸?shù)?。?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/光纖光柵" title="光纖光柵" target="_blank">光纖光柵傳感器集測(cè)量和傳輸于一體,，采用光波的形式進(jìn)行測(cè)量和傳輸，具有體積小,、重量輕,、傳輸損耗小、不受電磁場(chǎng)干擾和良好的絕緣性能等優(yōu)點(diǎn),，因此非常適合高壓開關(guān)柜的觸頭溫度測(cè)量環(huán)境,。基于以上優(yōu)點(diǎn),，本文提出了一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測(cè)量方案,，同時(shí)采用合理的安裝技術(shù)解決了應(yīng)變交叉敏感的影響,。
2 光纖光柵傳感器原理
光纖光柵傳感器既能實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，又能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量,，這兩個(gè)物理量都能引起光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的變化,。
光纖光柵的溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起的，熱光效應(yīng)引起光纖光柵的有效折射率的變化,，而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期變化,。當(dāng)光纖光柵傳感器所處的溫度場(chǎng)變化時(shí)，可推導(dǎo)出溫度對(duì)布拉格波長(zhǎng)變化的影響為
式中 a 為光纖的熱膨脹系數(shù),，主要引起柵格周期的變化,，取5.5′10-7;x 為光纖的熱光系數(shù)，主要引起光纖的折射率變化,，取5.5′10-6,。光纖光柵傳感器的應(yīng)變特性是彈光效應(yīng)和彈性效應(yīng)共同作用的結(jié)果，彈性效應(yīng)會(huì)改變光柵的柵格周期,，彈光效應(yīng)會(huì)改變光纖的有效折射率,，其傳感特性可以表示為[13]。
式中 Pe為光纖的有效彈性系數(shù),，Pe =0.22,。正因?yàn)楣饫w光柵傳感器既能測(cè)量溫度又能測(cè)量應(yīng)變，所以在對(duì)高壓開關(guān)柜隔離觸頭實(shí)行溫度測(cè)量時(shí),，就要想辦法屏蔽由于開關(guān)柜振動(dòng)引起的應(yīng)變對(duì)溫度測(cè)量精度的影響,，這就是光纖光柵傳感器的應(yīng)變交叉敏感。
3 觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)方案
3.1 光纖光柵傳感器的安裝
高壓開關(guān)柜的斷路器分為移動(dòng)小車和開關(guān)柜兩部分,，高壓開關(guān)柜的觸頭共有六個(gè),，分別分布在上側(cè)和下側(cè)的A、B,、C 三相上,，那么為了保證系統(tǒng)的可靠性，必須對(duì)六個(gè)觸頭的溫度同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè),。如式(1),、(2)所示，由于光纖光柵傳感器對(duì)溫度,、應(yīng)變同時(shí)敏感,，為了保證溫度測(cè)量精度，必須屏蔽應(yīng)變的交叉敏感影響,，即斷路器的分,、合過程中產(chǎn)生的任何應(yīng)變都不應(yīng)傳遞給光纖光柵傳感器。本系統(tǒng)是通過把光纖光柵溫度傳感器單端固定在靜觸頭上，來屏蔽觸頭在碰撞過程中產(chǎn)生的應(yīng)變,。另外,，為了保證光纖光柵溫度傳感器對(duì)觸頭各點(diǎn)溫度測(cè)量的均勻性，系統(tǒng)充分利用靜觸頭的中間空位,，把溫度傳感器固定在靜觸頭的中間位置,，圖1是傳感器在單個(gè)靜觸頭的安裝示意圖。當(dāng)動(dòng)觸頭與靜觸頭在分,、合時(shí)，在靜觸頭的圓周位置產(chǎn)生應(yīng)變,，而在其中心不存在應(yīng)變,，那么應(yīng)變也就傳遞不到光纖光柵傳感器了。這種安裝方案既保證了溫度的測(cè)量精度又屏蔽了由于振動(dòng)引起的應(yīng)變交叉敏感影響,。
3.2 光路復(fù)用方案
六個(gè)光纖光柵溫度傳感器的同時(shí)測(cè)量就涉及到光路的復(fù)用問題,，光纖光柵傳感器的復(fù)用可以采用波分復(fù)用(WDM)、空分復(fù)用(SDM)或時(shí)分復(fù)用(TDM)方式,，本系統(tǒng)是采用空分復(fù)用和波分復(fù)用方法,。如圖2 所示，用1′8 耦合器實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的空分復(fù)用,，這樣可以避免采用單一波分復(fù)用的弊端,，即多個(gè)傳感器串連在一根光纖上，在其中一個(gè)傳感器損壞時(shí)會(huì)影響其它傳感器信號(hào)的傳輸;同時(shí)在傳感器工作波長(zhǎng)的選擇上又采用了波分復(fù)用方式,，用來提高系統(tǒng)的測(cè)量速度,，即在波長(zhǎng)解調(diào)時(shí)采用一個(gè)掃描周期可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)傳感器的同時(shí)測(cè)量。
在圖2 中,，A,、B、C三相的六個(gè)光纖光柵溫度傳感器處于高電壓側(cè),，分別安裝在靜觸頭孔徑內(nèi),，而耦合器、波長(zhǎng)解調(diào)器,、控制器以及數(shù)據(jù)處理電路都處于地電位側(cè),，安裝在控制室內(nèi)，采用長(zhǎng)距離的光纖傳輸來實(shí)現(xiàn)高電壓側(cè)絕緣隔離,。圖中的A1,、B1、C1,，A2,、B2、C2是本文設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器，分別分布在隔離觸頭的上側(cè)和下側(cè)A,、B,、C 三相上，在常溫下傳感器的波長(zhǎng)分別為1548.5nm,、1550.1nm,、1551.6nm、1553.5nm,、1555.5nm,、1557.1nm，靈敏度為0.011nm/℃,、0.013nm/℃,、0.011nm/℃、0.010nm/℃,、0.011nm/℃,、0.012nm/℃，測(cè)量范圍為0"110℃;耦合器為
由7 個(gè)3dB耦合器組合而成的1′8耦合器;波長(zhǎng)解調(diào)器為采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描,，其工作波長(zhǎng)范圍為1548"1558nm,，覆蓋6 個(gè)傳感器在0"110℃溫度變化時(shí)的所有波長(zhǎng)帶;控制器在數(shù)據(jù)處理器的控制下實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)器的掃描。
3.3 觸頭溫度模型
高壓開關(guān)柜在運(yùn)行時(shí),，觸頭,、母線、電流互感器,、柜體等構(gòu)成了多個(gè)熱源,，高壓開關(guān)柜及內(nèi)部各部件又構(gòu)成了復(fù)雜的熱阻網(wǎng)絡(luò)[14]。在此系統(tǒng)中,，要通過理論推導(dǎo)出觸頭溫升與光纖光柵傳感器溫升間的數(shù)學(xué)關(guān)系是比較困難的,，因此本文通過試驗(yàn)方法建立了它們之間的數(shù)學(xué)模型。
溫升實(shí)驗(yàn)是在10kV 高壓開關(guān)柜上進(jìn)行的,，實(shí)驗(yàn)時(shí)三相觸頭接觸正常,，工作額定電流為1kA，室溫為25℃,。圖3 是上隔離觸頭B 相的溫升過程曲線,，可以看出光纖光柵傳感器測(cè)量的溫升變化要比觸頭的實(shí)際溫升變化慢，但它們的變化趨勢(shì)是相同的,，大約在3h 以后溫度場(chǎng)變化趨于穩(wěn)定,。測(cè)量溫度與實(shí)際溫度間的差值是由于傳感器采用非接觸方式測(cè)量溫度，它依靠靜觸頭的輻射來傳遞熱量,。表1 是其溫升測(cè)量數(shù)據(jù),。
可以看出在開關(guān)柜觸頭接觸正常,、溫度變化穩(wěn)定后各個(gè)觸頭的實(shí)際溫升值DTC 與對(duì)應(yīng)的傳感器溫升值DTS之間的比例關(guān)系都在1.43 附近，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,，可建立觸頭的實(shí)際溫度與傳感器的測(cè)量溫度間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為
TC="K"(TS-T)+T (3)
式中 K="1".43;TS為光纖光柵溫度傳感器測(cè)量的溫度值;T為高壓開關(guān)柜環(huán)境溫度,。
3.4 系統(tǒng)的抗電磁干擾性分析
為
了檢驗(yàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，在高壓開關(guān)柜滿負(fù)荷工作,，并且傳感器測(cè)量趨于穩(wěn)定的情況下,，通過對(duì)開關(guān)柜采用突然掉電的方式來檢測(cè)溫度測(cè)量結(jié)果與電磁場(chǎng)的關(guān)系[15-16]，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾能力的實(shí)驗(yàn),。圖4 是在觸頭溫升趨于穩(wěn)定后,，在試驗(yàn)過程中安排了兩次停電并在一次側(cè)的B 相觸頭上測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，圖4(a)是電流的變化過程圖,，圖4(b)是電流變化引起的觸頭溫度變化曲線,。可見在母線失去電流的情況下,，引起了觸頭溫度的下降，但在恢復(fù)送電后又很快開始上升,。從曲線可以看出測(cè)量的觸頭溫度對(duì)突然的停電與送電做出了反應(yīng),，但這種溫度的升降是漸變的而不是突變的，說明電磁場(chǎng)的存在對(duì)傳輸光纖以及光纖光柵溫度傳感器沒有影響,。如果電磁場(chǎng)的存在使測(cè)溫系統(tǒng)顯示的溫度較實(shí)際溫度偏高或偏低,，那么當(dāng)開關(guān)柜母線中一旦失去電流，電磁場(chǎng)消失時(shí),，溫度顯示會(huì)立即跳變到“實(shí)際值”,，但這種跳變現(xiàn)象在實(shí)際試驗(yàn)中并未發(fā)生。因此說明光纖光柵觸頭測(cè)溫系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本光纖光柵觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)在變電站10kV高壓開關(guān)柜上進(jìn)行了成功試用,，圖5 是在高壓開關(guān)柜工作在70%的額定負(fù)荷范圍時(shí)對(duì)一次側(cè)B相觸頭在24 小時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)記錄，它反應(yīng)了全天觸頭溫度的變化過程,。從圖中可以看出,，從午夜0點(diǎn)到早晨6 點(diǎn)之間觸頭的溫度最低，這一方面是由于用電負(fù)荷較小,，另一方面與氣溫較低有關(guān);從早晨6 點(diǎn)開始隨著用電負(fù)荷的增大,，觸頭的溫度也開始升高，到9點(diǎn)用電負(fù)荷趨于穩(wěn)定,，但由于氣溫的逐漸升高觸頭溫度也開始上升,，到14 點(diǎn)時(shí)溫度達(dá)到最高;從14點(diǎn)到18點(diǎn)之間由于氣溫的降低，觸頭的溫度也逐漸變小;同時(shí)從18 點(diǎn)后,，由于用電負(fù)荷的增大,，觸頭溫度又開始上升，到22 點(diǎn)時(shí)達(dá)到最高;此后隨著用電負(fù)荷的減小，觸頭溫度也逐漸降低,。通過對(duì)24小時(shí)觸頭溫度的記錄分析可以看出,，光纖光柵觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)能夠正常工作，其記錄數(shù)據(jù)正確反應(yīng)了觸頭溫度與開關(guān)柜的工作負(fù)荷和周圍空氣溫度之間的變化關(guān)系,，說明了光纖光柵觸頭溫度測(cè)量系統(tǒng)的方案是可行的,。
5 結(jié)論
本文利用光纖光柵傳感器的體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng),、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn),，代替電子類傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測(cè)，此方案不需要復(fù)雜的絕緣設(shè)計(jì),，因此具有簡(jiǎn)單,、可靠的優(yōu)點(diǎn)。此方案中,，解決了光纖光柵溫度傳感器的應(yīng)變交叉敏感影響,，在光路的復(fù)用上采用了空分復(fù)用加波分復(fù)用的方案，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性,。此系統(tǒng)在10kV 高壓開關(guān)柜上進(jìn)行了測(cè)試,，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，說明本方案是可行的,。