基于光纖傳感的輸電導線溫度監測研究

梁仕斌，張江濤，張崇興，趙振剛，王發志

(1. 云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650217；2. 昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；3. 云南電網有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000)

0 引言

輸電導線溫度深刻影響著輸電線路的輸電能力，為了增加輸電容量，提出了靜態增容技術[1]，而這不可避免的由于輸電線路負載的增加導致輸電導線溫度升高。若輸電導線的溫度提高的很快，那么會減小了輸電導線對地的空氣間隙距離，從而帶來了很多危害。

為了確定最好和最安全的載流能力，必須對輸電導線進行實時的、精確的溫度監測。傳統的測量溫度方法是將點式感溫裝置放于線路中易發生故障的地方來監測溫度。缺點是此方法當處于惡劣環境中時，可靠性較差，容易發生誤警[2]；采用紅外測溫技術對電纜表面溫度進行測量，能夠實現非接觸式測溫，比較安全，適合單點測溫。此方法雖然能夠補充電纜局部測溫的不足，但采用紅外技術在線測溫時，容易受到其他因素的影響[3]。傳統的電信號傳感器存在著布設繁雜，系統安裝、維護工作不夠簡便，設備容易損壞等缺點。與電測量傳感器相比，光纖傳感器有耐腐蝕、傳輸距離遠、抗電磁干擾、無需野外電源等等優點[4-8]。

鑒于輸電導線溫度監測存在的各種問題，基于光纖光柵傳感技術[9-15]，研制了一種FBG溫度傳感器以及傳感器夾具，通過測量光纖中心波長的變化反映導線溫度的變化，這種光纖光柵傳感器不僅安裝簡單、在惡劣環境下使用壽命長，而且克服了傳統的電學量溫度傳感器易受電磁干擾的缺陷。結合現場的導線溫度監測數據，實現了對導線溫度的長期在線監測，為直流融冰等除冰過程提供數據支撐，以保障電網的安全運行。

1 光纖光柵溫度傳感器的設計

1.1 溫度傳感器的工作原理

根據耦合模理論，光纖布拉格光柵的中心反射波長可以表示為：假設光纖受到外因素影響時，Λ和neff會發生變化，光纖反射波長也會發生變化。其關系式為：

關于上面公式，當只有溫度發生變化時，其光柵周期變化為：

式（3）中熱膨脹系數為α。熱光系數引起的折射率變化為：

式（4）中熱光系數ξ表示是折射率隨溫度的變化率。因此FBG的溫度靈敏度系數：

假設要把光纖光柵用于實際的傳感，我們就必須對FBG的靈敏度進行增敏，方法通常是對光纖光柵進行封裝。封裝后溫度傳感器靈敏度系數為：

1.2 溫度傳感器的封裝及安裝

為滿足現實應用的要求，在進行FBG傳感器封裝時，需要考慮以下因素：

（1）封裝后的FBG傳感器具有好的重復性和非線性誤差；

（2）封裝后的結構有足夠的強度；（3）封裝結構擁有良好的穩定性。

為了在進行結構設計時，保證傳感器結構的應力穩定性，以排除不穩定力場對光纖光柵波長的影響。

1. 我們采用雙金屬結構的設計方法實現溫度增敏，用于減小甚至消除FBG傳感器對應力的敏感性質。當溫度產生變化時，封裝結構產生長度變化量的差轉變為FBG的變化量，從而提高了FBG傳感器的溫度靈敏度。

2. FBG外的兩頭盡量保持松弛、不受拉力。用結構膠將小管兩端光纖固定，待FBG兩端固定后，往弧形小管里填充導熱膏，加蓋封裝。因此FBG不會受到外面應力的影響。

通過采用不銹鋼管對FBG進行封裝，封裝時只要讓光纖光柵在鋼管里保持松弛即可有效祛除應變的影響。根據光纖光柵對溫度和應變的敏感特性，采用不受力的封裝方式將其封裝在外殼內，處于自由態，如圖1所示。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝Fig.1 Fiber grating temperature sensor packaging

外套金屬管主要是保護光柵，內套金屬管是讓把光纖光柵固定在外套金屬管上以使不銹鋼管里的那段光纖光柵兩側形成的一定的交角，以保證光柵部分足夠松弛。傳感器的波長變化僅與溫度有關，使用專門設計的夾具將溫度傳感器與導線固定在一起，并與導線充分接觸，打入入射光就能將導線的實時溫度對應的傳感器反射波長記錄下來，通過波長與溫度的公式換算，可以準確測得導線的溫度。

本文所用的 FBG溫度傳感器的主要技術指標如表1所示：

表1 傳感器的主要技術指標Tab.1 Main technical specifications of sensors

安裝一根垂直方向的通道絕緣子在引流線上，通道復合絕緣子光纖順著引流線到導線上，在導線的連接金具和導線上（距離線夾1200 mm）固定一個溫度傳感器。圖2為導線溫度傳感器的部署結構圖：

圖2 溫度傳感器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of temperature sensor installation

2 溫度傳感器夾具的結構設計

溫度傳感器安裝在導線的表面，用于精確測量導線溫度。由于導線自身材料、形狀及工作環境限制，溫度傳感器宜采用抱箍的方式安裝在導線上，固定夾具和導線之間增加硅膠墊，避免夾具和導線在長期運行過程中發生摩擦而損壞導線，溫度傳感器夾具如圖3所示，其中2是導線，4是溫度傳感器，其余是夾具組件。導線光纖溫度傳感器夾具實物如圖4所示。

在高壓端輸電導線上布設導線溫度傳感器，傳感器位置以及光路如圖5所示。

圖中紅色部分為光纜，安裝方式按照圖中所示，使用扎絲在光纖復合絕緣子、導線溫度傳感器出頭5-10 cm的地方進行固定，每個固定點間隔距離（導線上0.5-1 m之間），桿塔固定使用設計的專用夾具固定，每個固定點間隔距離（桿塔上2-3 m之間），固定到光纜箱后，先丈量光纜到達光交箱的位置，然后將多余的光纜盤附在光纜箱內固定，最后接入光交箱。絕緣子低壓端的尾纖連到光纖接續盒。

圖3 溫度傳感器夾具設計Fig. 3 Design of temperature sensor fixture

圖4 導線光纖溫度傳感器夾具實物Fig. 4 Wire optical fiber temperature sensor fixture object

圖5 光纖復合絕緣子安裝位置示意圖Fig.5 Sketch map of installation location of optical fiber composite insulators

3 輸電塔線狀態監測系統

在線監測界面采用flash制作，主要顯示各個監測區域實時監測的數據，點擊flash界面上的任一監測區域可顯示該區域當前的實時數據；除此之外，在監測數據發生報警時，還會在相應報警位置閃爍報警燈。在線監測模塊是高壓輸電線路的核心模塊，此模塊一共可分成9個功能子模塊如圖6所示，數據接收、三維桿塔展示、光纖復合絕緣子監測、導線溫度監測、導線微風振動監測、導線覆冰監測、微氣象監測、桿塔傾斜檢測，數據維護。

圖6 在線監測模塊Fig.6 Online monitoring module

時序曲線包括時序曲線和趨勢分析兩個部分。時序曲線可以顯示特定區域特定傳感器的歷史數據曲線；趨勢分析采用算法，依據歷史數據分析推算傳感器的未來數據。

4 實驗結果及分析

為了檢驗傳感器的實際性能，使用恒溫箱對其進行了驗證試驗。試驗布置圖如圖所示。將光纖光柵溫度傳感器放在恒溫箱中，傳感元件通過傳輸光纜和解調系統相連接。

實驗過程如下：

（1）FBG溫度傳感器連接好并放置于恒溫箱中，光纖接頭從恒溫箱側面引出，連接到光纖光柵解調儀。

（2）調整恒溫箱內的溫度，從0℃開始，等待恒溫箱內的溫度保持穩定，再將溫度上調 5℃，同樣等待恒溫箱內溫度保持穩定后，直至溫度為50℃。在實驗過程中始終用解調儀讀取并記錄光柵的波長數據。

傳感器的溫度靈敏度標定結果（以0-50℃之間的數據繪圖）。為確保數據穩定，取3組數據進行擬合分析，得到其擬合直線為 λ=0.0098T+1551.901。結合測溫實驗數據得到 FBG溫度傳感器的靜態性能指標，傳感器平均溫度靈敏系數為9.8 pm/℃，分辨率為0.102℃，線性度為0.79%，如圖7所示。

從圖8中看出，研制的光纖光柵溫度傳感器具有良好的特性，因此可以用于現場監測導線的溫度變化。

圖7 光柵中心波長與溫度的關系曲線Fig.7 Relation curve between center wavelength and temperature of grating

收集云南電網某110 kV輸電導線2015年12月18日至2016年2月17日期間的導線溫度和空氣溫度變化數據，如圖8所示。

導線溫度監測量和環境溫度的變化趨勢具有較好的一致性。運行和維護人員可根據監測數據開展輸電線路的融冰特性等方面的研究，從而為輸電導線的融冰啟動、融冰過程和融冰效果提供數據支持。

5 結論

本文基于光纖光柵傳感技術研制了用于監測輸電導線溫度的溫度傳感器和傳感器夾具。通過標定試驗表明溫度傳感器靈敏度 9.8 pm/℃，分辨率為0.102℃，線性度為0.79%。經過實際運行驗證，采用光纖傳感技術的導線溫度傳感器能夠實現對導線溫度的可靠準確監測。監測數據能夠為直流融冰等除冰過程提供數據支撐，以保障電網的安全穩定運行。

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