CN204373808U - 一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，属于光电子测量技术领域。本实用新型光纤Bragg光栅尾部连接有光纤，引出的光纤从聚四氟乙烯套管中穿出，并用环氧树脂胶粘附固定，起保护光纤的作用；聚四氟乙烯板左端中间有一个矩形缺口，缺口处钻有横向圆孔，用于植埋光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅在圆孔中呈悬臂梁结构；植埋后用聚四氟乙烯材料填充在矩形缺口处，与聚四氟乙烯板一体封装成矩形结构。本实用新型适用于强电磁场环境中的温度检测；耐腐蚀能力强、体积很小。

Description

一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，属于光电子测量技术领域。

背景技术

干式空芯电抗器具有良好的线性度、低噪声、高抗短路能力、易于维护等优点，在维持电力系统电压稳定、限制短路电流、进行无功补偿等方面有重要作用。近年来，随着35kV并联干式空芯电抗器的应用的增加，其正常运行中烧损事故频繁发生，已经给电力系统的安全稳定运行带来许多问题。造成上述事故发生的因素是复杂的，具体原因仍未查明，其中干式空芯电抗器的温度过高会对电抗器的正常运行产生重要影响。目前，对干式空芯电抗器温度监测的方法不多，技术相对落后，急需一种能够对其实现温度测量的在线监测技术。为了检测干式空芯电抗器的温度、及时发出预警信号、保证电抗器正常工作，需要在干式空芯电抗器中埋入温度传感器。但是，一方面要求埋入的传感器不能影响电抗器的正常工作，尤其传感器中不能含有金属结构，并且抗电磁干扰；另一方面干式空芯电抗器各包封间的缝隙较小，要求传感器的体积不能过大。因此采用光纤Bragg光栅温度传感器对干式空芯电抗器的温度进行测量时，需要考虑光纤Bragg光栅温度传感器的结构及安全问题。

通过采用测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器对干式空芯电抗器温度检测时，需要考虑传感器的构成，及如何安装来实现测量时对光纤的保护问题。

在上述种种实际问题的背景下，设计并研制出了一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器。该传感器结构简单、成本低、体积小、抗电磁干扰、安全可靠、安装方便。将传感器埋入在干式空芯电抗器包封表面可以很好地实现对干式空芯电抗器温度的测量，保证电抗器安全可靠的运行。

发明内容

本实用新型提供了一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，以用于解决对干式空芯电抗器温度检测时传感器的结构、安装问题。

本实用新型的技术方案是：一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，包括聚四氟乙烯板1、光纤Bragg光栅2、光纤3、聚四氟乙烯套管4、环氧树脂胶5、聚四氟乙烯材料6；其中光纤Bragg光栅2尾部连接有光纤3，引出的光纤3从聚四氟乙烯套管4中穿出，并用环氧树脂胶5粘附固定，起保护光纤3的作用；聚四氟乙烯板1左端中间有一个矩形缺口，缺口处钻有横向圆孔，用于植埋光纤Bragg光栅2，光纤Bragg光栅2在圆孔中呈悬臂梁结构(呈悬臂梁结构，受应力应变影响极小，可认为光纤Bragg光栅2波长移位只受温度变化影响)；植埋后用聚四氟乙烯材料6填充在矩形缺口处，与聚四氟乙烯板1一体封装成矩形结构。

本实用新型的工作原理是：

参见附图1，由于光纤Bragg光栅封装于聚四氟乙烯板中间的圆孔内呈悬臂梁结构，所以对外加应力应变不敏感，因此，该光纤Bragg光栅的中心波长λ_B移位只与温度变化有关。

光纤光栅传感特性为：

λ_B＝2n_effΛ           (1)

光纤Bragg光栅的布拉格波长随着有效折射率n_eff和栅距Λ的改变而改变，因此Bragg波长对于外界应力应变、热负荷等极为敏感。

当无外加应力作用，只有温度变化ΔT时，由热膨胀效应引起的光纤Bragg光栅周期的变化Δλ_B为：

Δλ_B＝α·λ_B·ΔT              (2)

式中，α为光纤材料的热膨胀系数。

由热光效应引起的有效折射率的变化Δn_eff为：

Δn_eff＝ξ·n_eff·ΔT                   (3)

式中，ξ为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。

由式(1)得，由热光效应引起的光纤Bragg光栅周期的变化Δλ_B为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{eff}}}=\mathrm{\ξ}\·\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

式中，ξ为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率

由式(2)、式(4)得，在消除外加应力应变的作用下，光纤Bragg光栅温度传感器布拉格波长与温度的变化的关系为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\·\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

对熔石英光纤来说，一般α＝0.55×10^-6/℃，ξ＝6.67×10^-6/℃。

Δλ_B＝(α+ξ)·λ_B·ΔT＝K_T·ΔT                (6)

式中，K_T为光纤Bragg光栅的温度系数，其实际值以温度标定为准。

上式表明，在消除外加应力应变作用后，光纤光栅的Bragg波长移位与温度的变化呈线性关系。由此来实现干式空芯电抗器温度的测量。

本实用新型的使用过程是：

具体步骤如下：

Step1、在干式空芯电抗器包封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，从干式空芯电抗器包封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，自下向上涂绝缘封口胶8至网格布7上端；

Step3、除引出的光纤3外的测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器外部结构浸胶后，在距网格布7下端l距离区域中布设测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器；连有光纤3的一端方向向上，在其邻域再覆盖一层环氧树脂胶5，保证测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器与底层网格布7紧密黏贴，光纤3黏贴在绝缘封口胶8上并从干式空芯电抗器包封10上沿引出；其中，测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器在相邻两根通风条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芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器表面，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、传感器埋入完成后，在干式空芯电抗器固化或者工作过程中监测温度传感器波长变化情况，根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到光纤Bragg光栅2的中心波长的移位值Δλ_B；

Step6、根据光纤Bragg光栅2的中心波长的移位值Δλ_B与干式空芯电抗器包封10温度的关系式Δλ_B＝K_T·ΔT计算出干式空芯电抗器在固化或者工作状态下的温度变化；式中：K_T为传感器的温度系数，ΔT为被测环境的温度变化量。

所述绝缘封口胶8的涂层厚度为2-6mm。

本实用新型的有益效果是：

1、本传感器结构简单。聚四氟乙烯板内的圆孔不受外加应力应变作用的效果，消除了外加应力应变对光纤光栅Bragg波长偏移值的影响。将被测干式空芯电抗器的温度检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅波长移位与干式空芯电抗器被测位置具的温度有线性关系。

2、电抗器工作会产生强电磁场，此温度传感器采用光纤Bragg光栅做传感元件，本身不带任何电信号，适用于强电磁场环境中的温度检测。

3、此光纤Bragg光栅温度传感器主体结构及封装材料均选用聚四氟乙烯材料，无任何金属材料。耐腐蚀能力强且体积很小，对电抗器的正常运行没有任何负面影响。

4、保证了测温元件紧贴干式空芯电抗器包封表面，所测温度值更加贴近于电抗器导线层的温度。良好的保护措施保证了传感器的正常使用，传感器的埋入不影响干式空芯电抗器的生产工艺。

附图说明

图1为本实用新型温度传感器的结构示意图；

图2为本实用新型中温度传感器的埋入的正面示意图；

图中各标号：1为聚四氟乙烯板、2为光纤Bragg光栅、3为光纤、4为聚四氟乙烯套管、5为环氧树脂胶、6为聚四氟乙烯材料、7为网格布、8为绝缘封口胶、9为通风条、10为干式空芯电抗器包封。

具体实施方式

实施例1：如图1-2所示，一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，包括聚四氟乙烯板1、光纤Bragg光栅2、光纤3、聚四氟乙烯套管4、环氧树脂胶5、聚四氟乙烯材料6；其中光纤Bragg光栅2尾部连接有光纤3，引出的光纤3从聚四氟乙烯套管4中穿出，并用环氧树脂胶5粘附固定，起保护光纤3的作用；聚四氟乙烯板1左端中间有一个矩形缺口，缺口处钻有横向圆孔，用于植埋光纤Bragg光栅2，光纤Bragg光栅2在圆孔中呈悬臂梁结构；植埋后用聚四氟乙烯材料6填充在矩形缺口处，与聚四氟乙烯板1一体封装成矩形结构。

实施例2：如图1-2所示，一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，包括聚四氟乙烯板1、光纤Bragg光栅2、光纤3、聚四氟乙烯套管4、环氧树脂胶5、聚四氟乙烯材料6；其中光纤Bragg光栅2尾部连接有光纤3，引出的光纤3从聚四氟乙烯套管4中穿出，并用环氧树脂胶5粘附固定，起保护光纤3的作用；聚四氟乙烯板1左端中间有一个矩形缺口，缺口处钻有横向圆孔，用于植埋光纤Bragg光栅2，光纤Bragg光栅2在圆孔中呈悬臂梁结构；植埋后用聚四氟乙烯材料6填充在矩形缺口处，与聚四氟乙烯板1一体封装成矩形结构。

其具体参数为：

Step1、在干式空芯电抗器包封10完成之后，在浸胶(环氧树脂胶)玻璃丝带外表面相邻的两根通风条9之间的通风道内，从干式空芯电抗器包封10上沿自上而下铺设网格布7(150mm×500mm)；要求网格布7紧贴干式空芯电抗器包封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100mm距离处，自下向上涂绝缘封口胶8至网格布7上端，涂层厚度约5mm，面积约100mm×400mm；

Step3、除引出的光纤3外的测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器外部结构浸胶(环氧树脂胶)后，在距网格布7下端100mm距离区域中布设测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，使得传感器距电抗器上沿约40cm；连有光纤3的一端方向向上，在其邻域再覆盖一层环氧树脂胶5，保证测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器与底层网格布7紧密黏贴，光纤3黏贴在绝缘封口胶8上并从干式空芯电抗器包封10上沿引出；其中，测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器在相邻两根通风条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(150mm×500mm)覆盖测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器表面，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；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，避免因挤压使聚四氟乙烯板1及连接光纤3损坏。

Step5、传感器埋入完成后，在干式空芯电抗器固化或者工作过程中监测温度传感器波长变化情况，根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到光纤Bragg光栅2的中心波长的移位值Δλ_B；

Step6、根据光纤Bragg光栅2的中心波长的移位值Δλ_B与干式空芯电抗器包封10温度的关系式Δλ_B＝K_T·ΔT计算出干式空芯电抗器在固化或者工作状态下的温度变化；式中：K_T为传感器的温度系数，ΔT为被测环境的温度变化量。

Step7、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；

Step8、理论计算结果表明，当光纤Bragg光栅的初始Bragg波长为λ₀＝1526nm时，实际标定的温度系数K_T＝0.01082nm/℃；

Step9、灵敏度为：Bragg波长移位-被测温度变化量为传感器的灵敏度为10.82pm/℃，即温度发生1℃的变化时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位为10.82pm；

Step10、当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1pm时(指Δλ_B每变化1pm时)，该传感器的温度分辨力为：0.092℃。

上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种测量干式空芯电抗器温度的光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：包括聚四氟乙烯板(1)、光纤Bragg光栅(2)、光纤(3)、聚四氟乙烯套管(4)、环氧树脂胶(5)、聚四氟乙烯材料(6)；其中光纤Bragg光栅(2)尾部连接有光纤(3)，引出的光纤(3)从聚四氟乙烯套管(4)中穿出，并用环氧树脂胶(5)粘附固定，起保护光纤(3)的作用；聚四氟乙烯板(1)左端中间有一个矩形缺口，缺口处钻有横向圆孔，用于植埋光纤Bragg光栅(2)，光纤Bragg光栅(2)在圆孔中呈悬臂梁结构；植埋后用聚四氟乙烯材料(6)填充在矩形缺口处，与聚四氟乙烯板(1)一体封装成矩形结构。