CN111562032B - 一种基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，本方法结合SF6环境特性，研究新型封装方式提高传感器灵敏度、精确度，然后在不改变组合电器原有结构、密封性能、绝缘特性的基础上，通过粘贴、镶嵌、捆扎方式将传感器固结在组合电器内部，通过信号连接盘实现信号传输，最终实现测温系统与组合电器一体化集成的温度在线监测系统。本发明与现有技术相比，不再通过在组合电器外部测量间接推导内部温度，直接通过研发新材料新工艺及安装手段，通过试验测试内部安装测量可行性后，传感器安装在被测量点，实现组合电器内部接头温度的直接测量，实时在线监测组合电器设备运行状态。

Description

一种基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法

技术领域

本发明涉及变电站组合电器设备测温技术领域，特别是涉及一种基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法。

背景技术

气体绝缘组合电器(简称组合电器)被广泛应用于电力系统，它是除变压器以外的一次设备，封闭在充有一定压力SF6绝缘气体的金属筒内而形成的组合电器。据近年来组合电器故障统计分析发现，导体接头异常升温问题主要发生在母线接头、分支母线接头和隔离开关接头位置，组合电器接头出现温度过热以致绝缘老化甚至可能造成接头融化变形，进而导致绝缘性能降低，引发短路等重大电网事故。目前常用非在线监测手段如手持式红外热像仪对组合电器母线温度进行定期检测，其分辨率与测温精度较高，但价格昂贵，测试的有效性易受到环境等因素的影响，而且难以实现在线监测系统的一体化集成。

随着电网系统信息化产业的推进现状以及组合电器运维工作的增加，组合电器导体温度监测在线监测技术的研究对提前发现接头接触故障、减轻运维工作量、确保组合电器设备的安全稳定运行具有十分重要的意义。光纤传感技术以光电子学器件为基础，集成光纤通信和集成光学技术，己经成为近代检测技术的发展方向之一，具有巨大的开发潜力和应用前景。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，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非常适合组合电器的接头温度测量环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，在不影响组合电器密封特性要求的前提下实现传感器与组合电器本体设备一体化集成，从而实现组合电器温度的在线实时监测。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，包括以下步骤：S01)、将测温光纤光栅预拉伸后封装在用于增敏的基底材料中形成光纤光栅传感器，封装完成后通过温度变化来消除残余应力，基底材料采用可耐受300℃形变温度、与光纤相容性较高的材料；S02)、根据组合电器设备的测温需求，采用包括粘接、镶嵌在内的安装方式将光纤光栅传感器固定在组合电器的导体测温点处；S03)、将光纤光栅传感器尾纤通过信号连接盘引出组合电器，并连接至信号解调器；S04)、测温系统与组合电器一体化集成进行密封试验，分别测试测温系统连接安装前及安装后的组合电器气密性，记录测试数据；S05)、测温系统与组合电器一体化集成前后分别进行设备耐压绝缘试验，并记录数据；S06)、工作时，光纤光栅传感器检测测温点处的温度变化，并将温度变化信号传递至信号解调器，信号解调器按照公式1进行温度变化解调，从而实现组合电器的实时在线监测，公式1为：Δλ_b/λ_b＝[a+ξ+(1-P_e)a_s]ΔT，其中λ_b表示标定时，光纤光栅的特征波长，Δλ_b表示相较于标定时的特征波长变化量，ΔT表示相较于标定时的温度变化量，a表示测温光纤光栅的热膨胀系数，ξ表示测温光纤光栅的任光系数，P_e表示光纤光栅的有效弹光系数，a_s表示基底材料的热膨胀系数。

进一步的，测温光纤光栅进行预拉伸将柔软的光栅绷直并且使光栅的中心波长变化2nm来减小光纤自身蠕变对测量精度产生的影响，然后进行封装，然后进行温度标定。

进一步的，基底材料为立方体，测温光纤光栅与基底材料之间以环氧树脂作为粘合剂粘接在一起。

进一步的，光纤光栅温度传感器固定在组合电器设备内部接头位置。

进一步的，组合电器设备内部盆支撑绝缘子处的插接式接头采用陶瓷封装两点光纤光栅传感器，两个测点沿导体径向对称布置，传感器直接固定在屏蔽环与导体连接处的缝隙旁，并采用绝缘胶带粘接固定，光纤连接线沿壳体内壁直至引出到最近的信号连接盘处；导体与导体固定螺栓对接处的两测点采用两根单点传感器，通过在中间连接导体的凹槽内追加加工一个矩形镶嵌凹槽，将传感器测头镶嵌在内并填补金属胶加固，两根传感器各自引向引至外壳内壁，粘接牢固沿内壁平铺至信号连接盘处；盆式绝缘子螺栓连接导体接头处测点采用双点测量传感器，两个测点分别布置在与盆式绝缘子对接的连接导体的两端头内侧，此连接导体内侧的螺栓固接空中间的间隙追加加工矩形镶嵌凹槽，用金属胶将光纤光栅传感器固结在对接处的导体凹槽内并将金属胶注入到该处，增强光纤光栅传感器固结，光纤的尾纤通过内外信号传输用信号连接盘引出。

进一步的，信号连接盘取代封装法兰盖板，安装在组合电器的手孔位置，信号连接盘上开使光纤光栅传感器尾纤通过的贯通器。

进一步的，所述基底材料为聚醚醚酮。

本发明的有益效果：本发明的组合电器内部测温光纤光栅传感器安装及测试方法首先结合SF6环境特性，研究新型封装方式提高传感器灵敏度、精确度，然后在不改变组合电器原有结构、密封性能、绝缘特性的基础上，通过粘贴、镶嵌、捆扎方式将传感器固结在组合电器内部，通过信号连接盘实现信号传输，最终实现测温系统与组合电器一体化集成的温度在线监测系统。本发明与现有技术相比，不再通过在组合电器外部测量间接推导内部温度，直接通过研发新材料新工艺及安装手段，通过试验测试内部安装测量可行性后，传感器安装在被测量点，实现组合电器内部接头温度的直接测量，实时在线监测组合电器设备运行状态，对于变电站安全可靠稳定运行具有重要意义。

附图说明

图1为光纤光栅传感器在组合电器内部的布局示意图；

图2为光纤光栅传感器在盆支撑绝缘子处的插接式接头处的分布示意图；

图3为光纤光栅传感器在导体与导体固定螺栓对接处的分布示意图；

图4为光纤光栅传感器在盆式绝缘子螺栓连接导体接头处的分布示意图；

图5为光纤光栅传感器的结构示意图；

图6为信号连接盘的结构示意图；

图中：1、组合电器高压试验设备，2、光纤光栅传感器，3、光纤测温解调装置，4、信号连接盘，5、测点，6、导体，7、光纤，8、纤芯，9、基底材料，10、贯通器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种用于组合电器的光纤光栅温度监测方法，本方法包括以下步骤：

S01)、将测温光纤光栅预拉伸后封装在用于增敏的基底材料中形成光纤光栅传感器，封装完成后通过温度变化来消除残余应力，基底材料高热膨胀系数、热物理性质稳定、与光纤相容性较高；

本实施例中，利用光纤光栅传感器2实现组合电器内部接头温度信息采集，光纤光栅传感器因为所处外接环境温度的变化会产生热膨胀效应和热光效应，热膨胀效应引起的光栅周期变化为：ΔΛ＝α·Λ·ΔT，Λ是光栅周期，α热膨胀系数，ΔT为温度变化。裸光栅灵敏度低，约为10pm/℃，迟滞性大，为了提高测温灵敏度、精确度，将光纤光栅预拉伸后封装在基底材料中达到增敏目的。

本实施例中，所述基底材料9为聚醚醚酮，聚醚醚酮可耐受300℃形变温度，介电常数为3.3与光纤3.7的介电常数极为相近，与光纤具备良好的相容性。用环氧树脂作粘合剂，将测温光纤光栅与基底材料粘接在一切。为提高粘结强度，将粘结表面进行打磨增大粘结力度，封装完成后在高低温箱内利用温度变化来消除残余应力。如图5所示，测温光纤光栅由光纤7和线芯8组成，基底材料9为立方体，为满足绝缘耐压性，尺寸封装为4*52*7.5。光纤光栅传感器依靠基地材料的拉伸作用使光纤光栅的中心波长在相同的温度变化下具有更高的波长变化量。

本实施例中，测温光纤光栅进行预拉伸将柔软的光栅绷直并且改变光栅的中心波长变化量2nm来减小光纤自身蠕变对测量精度产生的影响，比如中心波长为1547nm的光栅预拉伸为1549nm，然后进行封装，然后进行温度标定。

S02)、根据组合电器设备的测温需求，采用包括粘接、镶嵌在内的安装方式将光纤光栅传感器固定在组合电器的导体测温点处；

为了使光纤广深传感器可靠有效安装布置，依据接头处的结构，采用两种方式安装光纤光栅传感器，一种是采用绝缘胶带褶皱纸粘结方式将光纤光栅传感器紧固在被测处表面或者两个刀体对接处的缝隙处，第二种是通过接头处螺栓对接处导体特有的凹槽处镶嵌光纤光栅传感器，此种方式下可依据实际情况开展镶嵌槽的追加加工，既能确保不改变组合电器的原有结构，又能满足组合电器设备绝缘性能要求。

如图1、2所示，组合电器内部设置4个测点5，其中组合电器设备内部盆支撑绝缘子处的插接式接头处采用陶瓷封装两点传感器，测点间距130mm，两个测点沿导体6径向对称布置，光纤光栅传感器2直接固定在屏蔽环与导体连接处的缝隙旁，并采用绝缘胶带粘接固定，光纤连结线由固定测点50mm位置处引至壳体内部，并通过粘接方式粘贴牢靠，沿壳体内壁直至引出到最近的信号连接盘处；如图3所示，导体6与导体6固定螺栓对接处的两测点采用两根单点传感器，通过在中间连接导体的凹槽内追加加工一个矩形镶嵌凹槽，将光纤光栅传感器2测头镶嵌在内并填补金属胶加固，两根传感器2各自引向引至外壳内壁，粘接牢固沿内壁平铺至信号连接盘处；如图4所示，盆式绝缘子螺栓连接导体接头处测点采用双点测量传感器，测点间距90mm，两个测点分别布置在与盆式绝缘子对接的连接导体的两端头内侧，此连接导体内侧的螺栓固接空中间的间隙追加加工矩形镶嵌凹槽，用金属胶将光纤光栅传感器固结在对接处的导体凹槽内并将金属胶注入到该处，增强光纤光栅传感器固结。

S03)、将光纤光栅传感器尾纤通过信号连接盘4引出组合电器，并连接至信号解调器。

如图6所示，信号连接盘4取代封装法兰盖板，安装在组合电器的手孔位置，信号连接盘4上开使光纤光栅传感器尾纤通过的贯通器10。设置信号连接盘4并不改变组合电器的原有结构，并能满足组合电器的密封性要求，实现光纤测试信号由内部传送到外部，经过相应的解调装置转换为对应的温度，进而实现测温传感器与组合电器一体化集成。

S04)、测温系统与组合电器一体化集成进行密封试验，分别测试测温系统连接安装前及安装后的组合电器气密性，记录测试数据；测试时，向组合电器设备内冲入正常工作状态压力的SF6绝缘气体(0.6MPa)，按照组合电器设备常规的包扎法以及气密性规定进行设备的气密性检测。

S05)、测温系统与组合电器一体化集成前后分别进行设备耐压绝缘试验，并记录数据，设备耐压绝缘试验包括工频耐压、雷电冲击，设备耐压绝缘试验在密封试验在密封试验通过后进行，确保测试设备产品性能正常，试验完成后，回收气体。

S06)、气密性、绝缘性能检定后，给设备通以恒定的电流2000A，进行设备工作状态模拟的温度数据监测检定工作。光纤光栅传感器检测测温点处的温度变化，并将温度变化信号传递至信号解调器，信号解调器按照公式1进行温度变化解调，从而实现组合电器的实时在线监测，公式1为：Δλ_b/λ_b＝[a+ξ+(1-P_e)a_s]ΔT，其中λ_b表示标定时，光纤光栅的特征波长，Δλ_b表示相较于标定时的特征波长变化量，ΔT表示相较于标定时的温度变化量，a表示测温光纤光栅的热膨胀系数，ξ表示测温光纤光栅的任光系数，P_e表示光纤光栅的有效弹光系数，a_s表示基底材料的热膨胀系数。当组合电器内部测点温度变化时，分布式光纤光栅传感器的线芯有效折射率和栅格周期发生变化，根据公式2可知，两者的变化可以使光纤光栅传感器输出的特征波长中心波长在相同的温度变化条件下具有更高的波长变化量。通过信号解调器实现设备温度的实时在线监测。

以上所示，只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，其特征在于：包括以下步骤：S01)、将测温光纤光栅预拉伸后封装在用于增敏的基底材料中形成光纤光栅传感器，封装完成后通过温度变化来消除残余应力，基底材料采用聚醚醚酮；S02)、根据组合电器设备的测温需求，采用包括粘接、镶嵌在内的安装方式将光纤光栅传感器固定在组合电器的导体测温点处；S03)、将光纤光栅传感器尾纤通过信号连接盘引出组合电器，并连接至信号解调器；S04)、测温系统与组合电器一体化集成进行密封试验，分别测试测温系统连接安装前及安装后的组合电器气密性，记录测试数据；S05)、测温系统与组合电器一体化集成前后分别进行设备耐压绝缘试验，并记录数据；S06)、工作时，光纤光栅传感器检测测温点处的温度变化，并将温度变化信号传递至信号解调器，信号解调器按照公式1进行温度变化解调，从而实现组合电器的实时在线监测，公式1为：Δλ_b/λ_b＝[a+ξ+(1-P_e)a_s]ΔT，其中λ_b表示标定时，光纤光栅的特征波长，Δλ_b表示相较于标定时的特征波长变化量，ΔT表示相较于标定时的温度变化量，a表示测温光纤光栅的热膨胀系数，ξ表示测温光纤光栅的任光系数，P_e表示光纤光栅的有效弹光系数，a_s表示基底材料的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，其特征在于：测温光纤光栅进行预拉伸将柔软的光栅绷直并且使光栅的中心波长变化2nm来减小光纤自身蠕变对测量精度产生的影响，然后进行封装，然后进行温度标定。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，其特征在于：基底材料为立方体，测温光纤光栅与基底材料之间以环氧树脂作为粘合剂粘接在一起。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，其特征在于：光纤光栅温度传感器固定在组合电器设备内部接头位置。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，其特征在于：组合电器设备内部盆支撑绝缘子处的插接式接头采用陶瓷封装两点光纤光栅传感器，两个测点沿导体径向对称布置，传感器直接固定在屏蔽环与导体连接处的缝隙旁，并采用绝缘胶带粘接固定，光纤连接线沿壳体内壁直至引出到最近的信号连接盘处；导体与导体固定螺栓对接处的两测点采用两根单点传感器，通过在中间连接导体的凹槽内追加加工一个矩形镶嵌凹槽，将传感器测头镶嵌在内并填补金属胶加固，两根传感器各自引向引至外壳内壁，粘接牢固沿内壁平铺至信号连接盘处；盆式绝缘子螺栓连接导体接头处测点采用双点测量传感器，两个测点分别布置在与盆式绝缘子对接的连接导体的两端头内侧，此连接导体内侧的螺栓固接空中间的间隙追加加工矩形镶嵌凹槽，用金属胶将光纤光栅传感器固结在对接处的导体凹槽内并将金属胶注入到该处，增强光纤光栅传感器固结，光纤的尾纤通过内外信号传输用信号连接盘引出。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的组合电器温度监测方法，其特征在于：信号连接盘取代封装法兰盖板，安装在组合电器的手孔位置，信号连接盘上开使光纤光栅传感器尾纤通过的贯通器。

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