CN201935751U - 用于35kV高压电气设备的光纤Bragg光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

用于35kV高压电气设备的光纤Bragg光栅温度传感器，本实用新型光纤套管(2)把光纤(1)套住，光纤(1)的一端制作为Bragg光栅(3)，并用光纤套管(2)紧密封装Bragg光栅(3)；Bragg光栅(3)一端自由悬空；在光纤套管(2)外面套有外绝缘套管(4)；外绝缘套管(4)和光纤套管(2)采用同一种材料制作。本实用新型可以直接用于35kV的测量环境中，具有将传感通道和传感头可以一体化，利于加工和生产，耐高温，抗热变形，能够消除因封装缺陷引起的局部集中电场强度过大，造成的击穿，保证传输通道在高电压、强电场强度下正常工作的优点。

Description

用于35kV高压电气设备的光纤Bragg光栅温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种对温度变化敏感的电绝缘光纤Bragg光栅传感器，具体涉及对35kV高压设备的温度测量技术。属光电子测量技术领域。

背景技术

电力电网伴随经济的迅速发展而得到了广泛的应用，越来越多的高压设备投入运行。根据对大量电力电网事故的分析，90％以上的事故都是由于高压设备内部过热，而引发火灾，造成厂房烧毁、停止供电等重大经济损失。温度是表征设备是否正常运行的一个非常重要参数，这个指标在监测电力电网的高压设备中广泛应用，所以对高压设备的温度进行监测具有重要的意义。在高压设备中各种接触点或者连接点由于长期运行，可能存在接触电阻增大、接触不良等安全隐患。在高电压大电流的作用下，高压设备各种接触点或者连接点易引起局部的高温，构成对高压电气设备和电网安全运行的威胁，所以要用合适手段监测高压设备的温度。

与本实用新型接近的技术是何凡的“光纤光栅传感器的结构”，专利号为：2008201111438.7。该技术是采用陶瓷封装，传感头和传感通道的接头处采用了三层封装，第一层为陶瓷，第二层为防水层，第三层为耐高压电绝缘层。由于传感头和传感通道所用的材料不一样，出现封装的缺陷，容易引起局部集中电场强度过强，发生击穿和闪络。陶瓷的绝缘强度不高，其介电强度约为20kV/mm，该传感器最大耐受电压为10kV，不适合在电压等级高、测量环境比较恶劣的情况下使用。

发明内容

本实用新型的目的，在于克服了上述现有技术存在的缺陷和不足而提供一种利用电绝缘光纤Bragg光栅传感器来监测满足1970m海拔下、I级污秽等级工况下的用于35kV高压电气设备的光纤Bragg光栅温度传感器。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来实现的。

用于35kV高压电气设备的光纤Bragg光栅温度传感器，其特征是：光纤套管把光纤套住，光纤的一端制作为Bragg光栅，并用光纤套管紧密封装Bragg光栅；Bragg光栅一端自由悬空；在光纤套管外面套有外绝缘套管；外绝缘套管和光纤套管采用同一种材料制作。

本实用新型外绝缘套管直接与35kV高压设备的一次部件接触，测量对象的温度通过外绝缘套管和光纤套管传递到光纤光栅，最终使光纤光栅的反射波长的峰值发生偏移。

本实用新型是一种电绝缘的光纤Bragg光栅温度传感器，采用双管封装，无金属化封装。光纤套管套住光纤，起保护通信光纤的作用。光纤套管具有很高的介电强度和表面电阻，提高传输通道的耐电压水平，保证光纤在高电压、高电场强度的环境下正常使用。通过试验表明光纤套管可直接用于1970m海拔下、I级污秽等级工况下的35kV高压测量环境中。外绝缘套管与光纤套管可以实现无缝、整平的连接，传感头和传感通道的连接处没有出现封装缺陷，避免由封装缺陷引起的局部集中电场强度过强而造成放电击穿。外绝缘套管具有较好的导热性、高电气强度，直接与发热的部件接触，起到导热、绝缘作用。由于光纤Bragg光栅的一端自由悬空，当温度升高时，保护套管的热形变也不会对光纤光栅反射峰值波长有影响；外绝缘套管和光纤套管保护光纤光栅，消去外力对光纤光栅的影响。

绝缘套管和光纤套管的制作材料聚四氟乙烯具有优异的化学稳定性、电绝缘性、不粘性、不燃性和耐老化性。聚四氟乙烯制品的机械性质较软，熔点高达327℃，成型要求低，易于加工，具有高温稳定性、介电强度高、绝缘能力不受温度的影响，而且生理懒惰、耐腐蚀、对很多的浓、稀无机有机酸、碱、酯均无作用，阻燃性高、抗蠕变和老化能力强、机械强度适中，即使在高温条件下依然保持良好的机械性能，极限抗拉强度大于25MPa，其绝缘性能很强，介电强度可达60kV/mm，聚四氟乙烯制品很适合做在高压、高温条件下的保护套管和电绝缘传感头的封装材料。

在云南电网公司超高压试验基地对选用330mm的聚四氟乙烯套管做1min的工频耐压试验，试验电压为85kV；湿度为100％的凝露试验，试验电压为85kV；污染等级为I级上限的污秽试验，试验电压为85kV。聚四氟乙烯套管都通过了以上三个试验。本传感器可以直接用于测量在1970m海拔下、I级污秽等级情况下，35kV高压设备的内部温度。

温度通过外绝缘套管4和光纤套管2传递到Bragg光栅3。由于Bragg光栅3的一端自由悬空，所以封装材料的热膨胀不会引起反射波长的变化。由于弹光效应和波导效应对光纤光栅的波长没有显著的影响，只通过光纤的热膨胀效应和光纤热光效应，引起反射峰值波长的变化。

反射回来的峰值波长满足：

λ_B＝2n_effΛ                    (1)

对(1)式进行温度T求导可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{\mathrm{\ΔT}}=2(\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\ΔT}}\mathrm{\Λ}+\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\ΔT}}{n}_{\mathrm{eff}})---\left(2\right)$

(2)式两边除以(1)式，可以得到

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\·\mathrm{\ΔT}=S_T\·\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

在(3)式中，ξ是光纤光栅的热光系数，它的表达式为

α是光纤光栅的热膨胀系数，它的表达式

在(3)式中S_T为传感器的温度系数，所以光纤光栅温度传感器Bragg波长的漂移与温度的变化成线性关系。Δλ_B为波长的变化，α为光纤的热膨胀系数，ξ为热光系数。一般情况下对熔石英光纤来说，ξ＝8.6×10^-6/℃，α＝0.55×10^-6/℃。

本实用新型传感器的有益效果：

1、直接测量高压设备内部的温度，传感通道和传感头可以一体化，不仅有利于传感器的加工和生产，还可以消除因封装缺陷引起的局部集中电场强度过大，造成的击穿，保证传输通道在高电压、强电场强度下正常工作。

2、采用聚四氟乙烯套管封装后传感器绝缘性能强、容易加工成型、具有优良的机械强度，能在-40℃～100℃的环境下长期温度工作，直接用于满足1970m海拔下、I级污秽等级情况下35kV的高压测量环境，并利用悬空Bragg光栅3一端的方式消除了因材料的热变形带给测量上的干扰。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1，用于35kV高压电气设备的光纤Bragg光栅温度传感器，其特征是：光纤套管2把光纤1套住，光纤1的一端制作为Bragg光栅3，并用光纤套管2紧密封装Bragg光栅3；Bragg光栅3一端自由悬空；在光纤套管2外面套有外绝缘套管4；外绝缘套管4和光纤套管2采用同一种材料制作。

本实用新型外绝缘套管4直接与35kV高压设备的一次部件接触，测量对象的温度通过外绝缘套管4和光纤套管2传递到光纤光栅3，最终使光纤光栅3的反射波长的峰值发生偏移。

根据图1所示结构，封装光纤Bragg光栅：

1、外绝缘套管4的参数为：长度L＝20mm，外径R＝8mm内径r＝4mm，热膨胀系数为α_s＝1.24×10^-4/K，导热系数为λ＝0.24/(m×K)。

2、被封装在外绝缘套管4里面光纤套管2的参数为：长度L＝15mm，外径R＝2mm内径r＝0.7mm，热膨胀系数为α_s＝1.24×10^-4/K，导热系数为λ＝0.24/(m×K)

3、光纤Bragg光栅3的技术参数为：中心波长λ_B＝1550.000mm。

4、把传感头用AB胶(302)粘贴在监测点，光纤1在柜内走线要满足相关的要求，不能破坏开关柜整体的运行安全，并固定光纤的走线。

5、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅3的Bragg波长；

6、接触式电绝缘的光纤Bragg光栅传感器的灵敏度按照(3)式计算，把相对应的参数代人公式，理论计算表明，该电绝缘式光纤Bragg光栅温度传感器的灵敏度为：14.1pm/℃。当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该传感器的应力分辨率为0.071℃。

Claims (1)

1.用于35kV高压电气设备的光纤Bragg光栅温度传感器，其特征是，光纤套管(2)把光纤(1)套住，光纤(1)的一端制作为Bragg光栅(3)，并用光纤套管(2)紧密封装Bragg光栅(3)；Bragg光栅(3)一端自由悬空；在光纤套管(2)外面套有外绝缘套管(4)；外绝缘套管(4)和光纤套管(2)采用同一种材料制作。 

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