CN105115439A - 一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量干式空心电抗器包封应变的埋入式光纤Bragg光栅应变传感器及其使用方法，属光电子测量领域。本发明光纤Bragg光栅尾部连接有光纤，引出的光纤从光纤套管中穿出，并用环氧树脂粘附固定；聚四氟乙烯材料中间位置有一个直线凹槽；光纤Bragg光栅放置在凹槽中间位置，光纤Bragg光栅及其连接光纤紧贴凹槽底部用环氧树脂填充整个凹槽，与聚四氟乙烯材料一体封装成矩形结构。根据光纤Bragg光栅的中心波长的移位值与干式空心电抗器包封应变的关系式计算出干式空心电抗器包封的应变变化。本发明结构简单、体积小且耐久性好，能埋入在干式空心电抗器包封内部，适用于强电磁场环境中的应变测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
为适应快速增长的经济建设的需求，我国电网正在向大容量、远距离和特高压的方向发展，电网容量和用电负荷不断增加。干式空心电抗器因其干式无油、机械强度高、涡流损耗小、噪音低、便于维护等优点大量应用于电力系统，110kV及以上变电站多采用干式空心电抗器进行无功补偿。于此同时，干式空心电抗器因其电磁结构比较特殊，包封长时间受热膨胀及电磁力等因素影响产生应力应变，是变电站中问题较多的设备，给电力系统的安全稳定带来的许多安全隐患。近年来，随着大型干式空心电抗器的应用的增加，其正常运行中烧损事故频繁发生。在电网中运行一段时间后，很多干式空心电抗器不同程度地出现表面树枝状放电、局部烧损，甚至起火等，影响了电网的稳定运行。尤其是35kV及以上电压等级的干式空心并联电抗器的故障居高不下，有的被迫停运处理，有的演变成事故甚至设备烧毁。因此，干式空心电抗器健康的在线监测已成为维护电力系统安全与稳定的重要研究课题。
目前，对干式空心电抗器应变监测的方法不多，技术相对落后，急需一种能够对其实现应变测量的在线监测技术。为了准确监测干式空心电抗器的应变变化情况、及时发出预警信号、保证电抗器正常工作，最好的方法是在干式空心电抗器中埋入应变传感器。根据干式空心电抗器的结构特征，要求埋入的传感器中不能含有金属结构，且传感器的体积较小。光纤光栅传感技术为解决上述问题提供了一个可行的方法，合理的埋入式光纤Bragg光栅应变传感器结构设计能够很好地实现干式空心电抗器应变的监测。
在上述实际问题的背景下，设计出了一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器。该传感器结构简单、体积小、成本低、抗电磁干扰、操作方便。将传感器埋入在干式空心电抗器包封内部，可以实现运行中干式空心电抗器包封应变的测量。
发明内容
本发明提供了一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器及其使用方法，以用于解决对干式空心电抗器应变的准确及时检测的问题、解决对干式空心电抗器应变检测时传感器的结构、安装问题。
本发明的技术方案是：一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器，包括聚四氟乙烯材料1、凹槽2、光纤Bragg光栅3、光纤4、光纤套管5、环氧树脂6；所述聚四氟乙烯材料1呈矩形，聚四氟乙烯材料1中间有一个贯穿整个材料板体的凹槽2，用于植埋光纤Bragg光栅3；光纤Bragg光栅3尾部连接有光纤4，引出的光纤4从光纤套管5中穿出，光纤套管5端口内部涂有环氧树脂6用于粘附固定光纤4，光纤Bragg光栅3放置在凹槽2中间位置，用环氧树脂6将光纤Bragg光栅3及其连接光纤4封装在凹槽2底部，使其与聚四氟乙烯材料1封装成为一体。
一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、在干式空心电抗器包封10完成之后，在包封表面相邻的两根通风条9之间，从干式空心电抗器包封10上沿自上而下铺设网格布7；
Step2、在网格布7距下沿l距离处，自下向上涂绝缘胶8至网格布7上端；
Step3、将2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和1个温度补偿传感器11浸环氧树脂6后，在距网格布7下端l距离区域中布设测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11；3个传感器呈品字形排列，其中2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器分成轴向和径向布设，在品字形及其邻域再覆盖一层环氧树脂6，保证测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器及温度补偿传感器11与底层网格布7紧密黏贴；连接光纤4黏贴在绝缘胶8上并从干式空心电抗器包封10上沿引出；同时，测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11在相邻两根通风条9之间的通风道内；
Step4、传感器布设完毕后，剪取与底层网格布7同等大小的网格布覆盖测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11表面，与底层网格布7重合，并用手掌轻压网格布使其与下层完全黏合；
Step5、上述工作完成后，在干式空心电抗器包封10表面再缠绕1至2层玻璃纤维带，覆盖整个干式空心电抗器包封10及传感器布设区域；
Step6、传感器埋入完成后，在干式空心电抗器工作状态下监测测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11的波长变化情况，根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到光纤Bragg光栅3的中心波长的移位值；
Step7、根据温度补偿传感器11所测的温度值，计算出测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器光纤Bragg光栅3因温度变化所导致的波长漂移量，与干式空心电抗器包封10应变的关系式计算出干式空心电抗器在固化或者工作状态下轴向和径向的应变变化；式中应变灵敏系数，为被测环境的应变变化量。
所述距离l约为100mm。
本发明的工作原理是：
参见附图1，粘贴于被测结构表面的聚四氟乙烯材料1承受被测结构形变，导致埋入在聚四氟乙烯材料1中的光纤Bragg光栅3的Bragg波长产生随应变变化的移位。
设传感器的有效应变长度为L，承受应力为F，横截面积为A，弹性模量为E，长度变化量为，应变为，光纤Bragg光栅的应变为，那么：
（1）
（2）
其中，为常系数。
设定FBG与封装材料的应力应变为刚性传递，那么干式空心电抗器包封应力引起的聚四氟乙烯材料结构的应变与FBG的应变相等：
（3）
FBG应变变化量与Bragg波长移位呈正比：
（4）
由于作用在传感器上的外力以及周围的温度场均能够导致Bragg中心波长产生漂移。所以，Bragg中心波长变化量可以表示为：
（5）
式中，为光纤轴向的应变变化量，为传感器周围的温度变化量，与分别为应变灵敏系数和温度灵敏系数。
由式（5）可知，温度和应变均能造成FBG传感器中心波长的漂移。为了得出被测物的应变量，采用温度补偿的方法消去温度变化导致的波长响应，从而计算出所求的应变量。总的波长漂移量与温度变化导致的波长漂移量之差只与应变有关，由此便可得到被测物发生的应变：
（6）
式中为温度使FBG应变传感器中心波长产生的漂移量。
由此，将此传感器埋入到干式空心电抗器包封内部可实现干式空心电抗器应变的测量。此外，应变灵敏系数和温度灵敏系数的具体数值由传感器实际标定来确定。
本发明的有益效果是：
1、本发明结构简单。将被测干式空心电抗器包封的应变测量转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅波长移位与干式空心电抗器包封的应变变化有线性关系。
2、此应变传感器采用光纤Bragg光栅做传感元件，抗电磁干扰，适用于强电磁场环境中的应变监测。
3、聚四氟乙烯材料有质量轻、抗拉压能力强以及耐久性好等优点，不仅起到保护光纤Bragg光栅的作用，而且能够很好地传递被测结构的应变变化。
4、该传感器体积很小可埋在干式空心电抗器包封内部，不影响干式空心电抗器的生产工艺，且安全可靠，不对电抗器正常工作产生负面影响。
附图说明
图1为本发明应变传感器的结构示意图；
图2为本发明中应变传感器的埋入的正面示意图；
图中各标号：1-聚四氟乙烯材料、2-凹槽、3-光纤Bragg光栅、4-光纤、5-光纤套管、6-环氧树脂、7-网格布、8-绝缘胶、9-通风条、10-干式空心电抗器包封、11-温度补偿传感器。
具体实施方式
实施例1：如图1-2所示，一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器，包括聚四氟乙烯材料1、凹槽2、光纤Bragg光栅3、光纤4、光纤套管5、环氧树脂6；所述聚四氟乙烯材料1呈矩形，聚四氟乙烯材料1中间有一个贯穿整个材料板体的凹槽2，用于植埋光纤Bragg光栅3；光纤Bragg光栅3尾部连接有光纤4，引出的光纤4从光纤套管5中穿出，光纤套管5端口内部涂有环氧树脂6用于粘附固定光纤4，光纤Bragg光栅3放置在凹槽2中间位置，用环氧树脂6将光纤Bragg光栅3及其连接光纤4封装在凹槽2底部，使其与聚四氟乙烯材料1封装成为一体。
一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、在干式空心电抗器包封10完成之后，在包封表面相邻的两根通风条9之间，从干式空心电抗器包封10上沿自上而下铺设网格布7；
Step2、在网格布7距下沿l距离处，自下向上涂绝缘胶8至网格布7上端；
Step3、将2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和1个温度补偿传感器11浸环氧树脂6后，在距网格布7下端l距离区域中布设测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11；3个传感器呈品字形排列，其中2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器分成轴向和径向布设，在品字形及其邻域再覆盖一层环氧树脂6，保证测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器及温度补偿传感器11与底层网格布7紧密黏贴；连接光纤4黏贴在绝缘胶8上并从干式空心电抗器包封10上沿引出；同时，测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11在相邻两根通风条9之间的通风道内；
Step4、传感器布设完毕后，剪取与底层网格布7同等大小的网格布覆盖测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11表面，与底层网格布7重合，并用手掌轻压网格布使其与下层完全黏合；
Step5、上述工作完成后，在干式空心电抗器包封10表面再缠绕1至2层玻璃纤维带，覆盖整个干式空心电抗器包封10及传感器布设区域；
Step6、传感器埋入完成后，在干式空心电抗器工作状态下监测测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11的波长变化情况，根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到光纤Bragg光栅3的中心波长的移位值；
Step7、根据温度补偿传感器11所测的温度值，计算出测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器光纤Bragg光栅3因温度变化所导致的波长漂移量，与干式空心电抗器包封10应变的关系式计算出干式空心电抗器在固化或者工作状态下轴向和径向的应变变化；式中应变灵敏系数，为被测环境的应变变化量。
所述距离l约为100mm。
实施例2：如图1-2所示，一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器，包括聚四氟乙烯材料1、凹槽2、光纤Bragg光栅3、光纤4、光纤套管5、环氧树脂6；所述聚四氟乙烯材料1呈矩形，聚四氟乙烯材料1中间有一个贯穿整个材料板体的凹槽2，用于植埋光纤Bragg光栅3；光纤Bragg光栅3尾部连接有光纤4，引出的光纤4从光纤套管5中穿出，光纤套管5端口内部涂有环氧树脂6用于粘附固定光纤4，光纤Bragg光栅3放置在凹槽2中间位置，用环氧树脂6将光纤Bragg光栅3及其连接光纤4封装在凹槽2底部，使其与聚四氟乙烯材料1封装成为一体。
一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、在干式空心电抗器包封10完成之后，在包封表面相邻的两根通风条9之间，从干式空心电抗器包封10上沿自上而下铺设网格布7（200mm×500mm）；要求网格布7紧贴干式空心电抗器包封10外表面，且网格布7中间位置垂直分布在相邻两根通风条9之间；
Step2、在网格布7距下沿约100mm距离处，自下向上涂绝缘胶8至网格布7上端，面积约150mm×400mm；
Step3、将2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和1个温度补偿传感器11浸环氧树脂6后，在距网格布7下端约100mm距离区域中布设测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11；3个传感器呈品字形排列，其中2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器分成轴向和径向布设，在品字形及其邻域再覆盖一层环氧树脂6，保证测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器及温度补偿传感器11与底层网格布7紧密黏贴；连接光纤4黏贴在绝缘胶8上并从干式空心电抗器包封10上沿引出；同时，测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11在相邻两根通风条9之间的通风道内；
Step4、传感器布设完毕后，剪取与底层网格布7同等大小的网格布（200mm×500mm）覆盖测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11表面，与底层网格布7重合，并用手掌轻压网格布使其与下层完全黏合；
Step5、上述工作完成后，在干式空心电抗器包封10表面再缠绕1至2层玻璃纤维带，覆盖整个干式空心电抗器包封10及传感器布设区域；放置下层通风条9时，保持埋入的传感器在相邻两根通风条9之间，避免因过度挤压使传感器损坏。
Step6、传感器埋入完成后，在干式空心电抗器工作状态下监测测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11的波长变化情况，根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到光纤Bragg光栅3的中心波长的移位值；
Step7、根据温度补偿传感器11所测的温度值，计算出测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器光纤Bragg光栅3因温度变化所导致的波长漂移量，与干式空心电抗器包封10应变的关系式计算出干式空心电抗器在固化或者工作状态下轴向和径向的应变变化；式中应变灵敏系数，为被测环境的应变变化量。
其具体参数为：
1、引出的光纤通过跳线与解调仪连接，获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
2、理论计算结果表明，当光纤Bragg光栅的初始Bragg波长为=1526nm时，，，实际标定的测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器的温度灵敏系数=0.03162nm/℃，应变灵敏系数=0.001201nm/；
3、灵敏度为：Bragg波长移位-被测应变变化量为传感器的灵敏度为1.2pm/，即应变发生1的变化时，引起的光纤Bragg光栅Bragg波长移位为1.2pm；
4、当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1pm时（指每变化1pm时），该传感器的应变分辨力为0.83。
实施例3：如图1-2所示，一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器，包括聚四氟乙烯材料1、凹槽2、光纤Bragg光栅3、光纤4、光纤套管5、环氧树脂6；所述聚四氟乙烯材料1呈矩形，聚四氟乙烯材料1中间有一个贯穿整个材料板体的凹槽2，用于植埋光纤Bragg光栅3；光纤Bragg光栅3尾部连接有光纤4，引出的光纤4从光纤套管5中穿出，光纤套管5端口内部涂有环氧树脂6用于粘附固定光纤4，光纤Bragg光栅3放置在凹槽2中间位置，用环氧树脂6将光纤Bragg光栅3及其连接光纤4封装在凹槽2底部，使其与聚四氟乙烯材料1封装成为一体。
实施例4：如图1-2所示，一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、在干式空心电抗器包封10完成之后，在浸胶玻璃丝带外表面相邻的两根通风条9之间的通风道内，从干式空心电抗器包封10上沿自上而下铺设网格布7；
Step2、在网格布7距下沿l距离处，自下向上涂绝缘胶8至网格布7上端；
Step3、将2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和1个温度补偿传感器11浸环氧树脂6后，在距网格布7下端l距离区域中布设测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11；3个传感器呈品字形排列，其中2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器分成轴向和径向布设，在品字形及其邻域再覆盖一层环氧树脂6，保证测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器及温度补偿传感器11与底层网格布7紧密黏贴；连接光纤4黏贴在绝缘胶8上并从干式空心电抗器包封10上沿引出；同时，测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11在相邻两根通风条9之间的通风道内；
Step4、传感器布设完毕后，剪取与底层网格布7同等大小的网格布覆盖测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11表面，与底层网格布7重合，并用手掌轻压网格布使其与下层完全黏合；
Step5、上述工作完成后，在干式空心电抗器包封10表面再缠绕1至2层玻璃纤维带，覆盖整个干式空心电抗器包封10及传感器布设区域；
Step6、传感器埋入完成后，在干式空心电抗器工作状态下监测测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器11的波长变化情况，根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到光纤Bragg光栅3的中心波长的移位值；
Step7、根据温度补偿传感器11所测的温度值，计算出测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器光纤Bragg光栅3因温度变化所导致的波长漂移量，与干式空心电抗器包封10应变的关系式计算出干式空心电抗器在固化或者工作状态下轴向和径向的应变变化；式中应变灵敏系数，为被测环境的应变变化量。
所述距离l约为100mm。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明的实施方式可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器，其特征在于：包括聚四氟乙烯材料（1）、凹槽（2）、光纤Bragg光栅（3）、光纤（4）、光纤套管（5）、环氧树脂（6）；所述聚四氟乙烯材料（1）呈矩形，聚四氟乙烯材料（1）中间有一个贯穿整个材料板体的凹槽（2），用于植埋光纤Bragg光栅（3）；光纤Bragg光栅（3）尾部连接有光纤（4），引出的光纤（4）从光纤套管（5）中穿出，光纤套管（5）端口内部涂有环氧树脂（6）用于粘附固定光纤（4），光纤Bragg光栅（3）放置在凹槽（2）中间位置，用环氧树脂（6）将光纤Bragg光栅（3）及其连接光纤（4）封装在凹槽（2）底部，使其与聚四氟乙烯材料（1）封装成为一体。
2.一种测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
Step1、在干式空心电抗器包封（10）完成之后，在包封表面相邻的两根通风条（9）之间，从干式空心电抗器包封（10）上沿自上而下铺设网格布（7）；
Step2、在网格布（7）距下沿l距离处，自下向上涂绝缘胶（8）至网格布（7）上端；
Step3、将2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和1个温度补偿传感器（11）浸环氧树脂（6）后，在距网格布（7）下端l距离区域中布设测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器（11）；3个传感器呈品字形排列，其中2个测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器分成轴向和径向布设，在品字形及其邻域再覆盖一层环氧树脂（6），保证测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器及温度补偿传感器（11）与底层网格布（7）紧密黏贴；连接光纤（4）黏贴在绝缘胶（8）上并从干式空心电抗器包封（10）上沿引出；同时，测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器（11）在相邻两根通风条（9）之间的通风道内；
Step4、传感器布设完毕后，剪取与底层网格布（7）同等大小的网格布覆盖测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器（11）表面，与底层网格布（7）重合，并用手掌轻压网格布使其与下层完全黏合；
Step5、上述工作完成后，在干式空心电抗器包封（10）表面再缠绕1至2层玻璃纤维带，覆盖整个干式空心电抗器包封（10）及传感器布设区域；
Step6、传感器埋入完成后，在干式空心电抗器工作状态下监测测量干式空心电抗器包封应变的光纤Bragg光栅应变传感器和温度补偿传感器（11）的波长变化情况，根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到光纤Bragg光栅（3）的中心波长的移位值；
Step7、根据温度补偿传感器（11）所测的温度值，计算出测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器光纤Bragg光栅（3）因温度变化所导致的波长漂移量，与干式空心电抗器包封（10）应变的关系式计算出干式空心电抗器在固化或者工作状态下轴向和径向的应变变化；式中应变灵敏系数，为被测环境的应变变化量。
3.根据权利要求2所述的测量干式空心电抗器应变的光纤Bragg光栅应变传感器的使用方法，其特征在于：所述距离l约为100mm。
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