光纤光栅温度传感器触头温度测量1 引言高.pdf

一种光纤光栅温度传感系统设计方案 关键字： 光纤光栅 温度传感器 触头温度测量 1 引言 高压开关柜隔离触头的温度监测一直是电力工业安全运行的重 大课题之一，但是由于触头处在强电磁场、高电压环境中，所以目前 的监测方法都是围绕何实现系统的抗强电磁场干扰和高电压的隔离 问题，主要方法有感温纸测温、红外温度测量、F-P 光学式测量、感 应窃电方式测量、光纤传输方式和红外无线传输等。 而光纤光栅传感器集测量和传输于一体，采用光波的形式进行测 量和传输，具有体积小、重量轻、传输损耗小、不受电磁场干扰和良 好的绝缘性能等优点，因此非常适合高压开关柜的触头温度测量环 境。 基于以上优点，本文提出了一种采用光纤光栅温度传感器的触头 温度测量方案，同时采用合理的安装技术解决了应变交叉敏感的影 响。 2 光纤光栅传感器原理 光纤光栅传感器既能实现温度的测量，又能实现应变的测量，这 两个物理量都能引起光纤光栅布拉格波长的变化。 光纤光栅的温度传感特性是由光纤光栅的热光效应和热膨胀效 应引起的，热光效应引起光纤光栅的有效折射率的变化，而热膨胀效 应引起光栅的栅格周期变化。当光纤光栅传感器所处的温度场变化 时，可推导出温度对布拉格波长变化的影响为 式中 a 为光纤的热膨胀系数，主要引起栅格周期的变化，取 5.5′10-7;x 为光纤的热光系数，主要引起光纤的折射率变化，取 5.5′10-6 。光纤光栅传感器的应变特性是弹光效应和弹性效应共同作 用的结果，弹性效应会改变光栅的栅格周期，弹光效应会改变光纤的 有效折射率，其传感特性可以表示为[13]。 式中 Pe 为光纤的有效弹性系数，Pe =0.22 。正因为光纤光栅传 感器既能测量温度又能测量应变，所以在对高压开关柜隔离触头实行 温度测量时，就要想办法屏蔽由于开关柜振动引起的应变对温度测量 精度的影响，这就是光纤光栅传感器的应变交叉敏感。 3 触头温度测量系统方案 3.1 光纤光栅传感器的安装 高压开关柜的断路器分为移动小车和开关柜两部分，高压开关柜 的触头共有六个，分别分布在上侧和下侧的A 、B、C 三相上，那么 为了保证系统的可靠性，必须对六个触头的温度同时进行监测。如式 (1)、(2)所示，由于光纤光栅传感器对温度、应变同时敏感，为了保 证温度测量精度，必须屏蔽应变的交叉敏感影响，即断路器的分、合 过程中产生的任何应变都不应传递给光纤光栅传感器。本系统是通过 把光纤光栅温度传感器单端固定在静触头上，来屏蔽触头在碰撞过程 中产生的应变。另外，为了保证光纤光栅温度传感器对触头各点温度 测量的均匀性，系统充分利用静触头的中间空位，把温度传感器固定 在静触头的中间位置， 图1 是传感器在单个静触头的安装示意图。当动触头与静触头在 分、合时，在静触头的圆周位置产生应变，而在其中心不存在应变， 那么应变也就传递不到光纤光栅传感器了。这种安装方案既保证了温 度的测量精度又屏蔽了由于振动引起的应变交叉敏感影响。 3.2 光路复用方案 六个光纤光栅温度传感器的同时测量就涉及到光路的复用问题， 光纤光栅传感器的复用可以采用波分复用(WDM) 、空分复用(SDM) 或时分复用(TDM)方式，本系统是采用空分复用和波分复用方法。如 图 2 所示，用 1′8 耦合器实现对传感器的空分复用，这样可以避免 采用单一波分复用的弊端，即多个传感器串连在一根光纤上，在其中 一个传感器损坏时会影响其它传感器信号的传输;同时在传感器工作 波长的选择上又采用了波分复用方式，用来提高系统的测量速度，即 在波长解调时采用一个扫描周期可以实现六个传感器的同时测量。 在图2 中，A 、B、C 三相的六个光纤光栅温度传感器处于高电 压侧，分别安装在静触头孔径内，而耦合器、波长解调器、控制器以 及数据处理电路都处于地电位侧，安装在控制室内，采用长距离的光 纤传输来实现高电压侧绝缘隔离。图中的 A1 、B1 、C1，A2 、B2 、 C2 是本文设计的光纤光栅温度传感器，分别分布在隔离触头的上侧 和下侧A 、B 、C 三相上，在常温下传感器的波长分别为1548.5nm、 1550.1nm、1551.6nm、1553.5nm、1555.5nm、1557.1nm，灵敏度为 0.011nm/ ℃、0.013nm/ ℃、0.011nm/℃、0.010nm/ ℃、0.011nm/ ℃、 0.012nm/ ℃，测量范围为