高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測一直是電力工業(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、高電壓環(huán)境中，所以目前的監(jiān)測方法都是圍繞何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗強(qiáng)電磁場干擾和高電壓的隔離問題，主要方法有感溫紙測溫、紅外溫度測量[1-2]、F-P光學(xué)式測量[3]、感應(yīng)竊電方式測量[4]、光纖傳輸方式和紅外無線傳輸[5-6]等。而光纖光柵傳感器集測量和傳輸于一體，采用光波的形式進(jìn)行測量和傳輸，具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場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)柜的觸頭溫度測量環(huán)境[7-10]?；谝陨蟽?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)溫度的測量，又能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測量，這兩個(gè)物理量都能引起光纖光柵布拉格波長的變化[11]。
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變化時(shí)，可推導(dǎo)出溫度對布拉格波長變化的影響為[12]
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)會改變光柵的柵格周期，彈光效應(yīng)會改變光纖的有效折射率，其傳感特性可以表示為[13]。
3觸頭溫度測量系統(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，必須對六個(gè)觸頭的溫度同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測。如式（1）、（2）所示，由于光纖光柵傳感器對溫度、應(yīng)變同時(shí)敏感，為了保證溫度測量精度，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觸頭各點(diǎn)溫度測量的均勻性，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)會影響其它傳感器信號的傳輸；同時(shí)在傳感器工作波長的選擇上又采用了波分復(fù)用方式，用來提高系統(tǒng)的測量速度，即在波長解調(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)波長掃描，其工作波長范圍為1548~1558nm，覆蓋6個(gè)傳感器在0~110℃溫度變化時(shí)的所有波長帶；控制器在數(shù)據(jù)處理器的控制下實(shí)現(xiàn)波長解調(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，但它們的變化趨勢是相同的，大約在3h以后溫度場變化趨于穩(wěn)定。測量溫度與實(shí)際溫度間的差值是由于傳感器采用非接觸方式測量溫度，它依靠靜觸頭的輻射來傳遞熱量。表1是其溫升測量數(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，并且傳感器測量趨于穩(wěn)定的情況下，通過對開關(guān)柜采用突然掉電的方式來檢測溫度測量結(jié)果與電磁場的關(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?？梢娫谀妇€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。從曲線可以看出測量的觸頭溫度對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，說明電磁場的存在對傳輸光纖以及光纖光柵溫度傳感器沒有影響。如果電磁場的存在使測溫系統(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，電磁場消失時(shí)，溫度顯示會立即跳變到“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)對一次側(cè)B相觸頭在24小時(shí)的溫度監(jiān)測記錄，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zui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zui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??；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zui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)了對高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測，此方案不需要復(fù)雜的絕緣設(shè)計(jì)，因此具有簡單、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)行了測試，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，說明本方案是可行的。
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