準分布式光纖傳感輸電線路安全監(jiān)測技術(shù)

張歆，王延祥，王瑞琪，唐杰杰，范德勝，陳少達，陸飛飛

(國網(wǎng)江蘇徐州供電公司，江蘇 徐州 221005)

0 引言

人類的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都與電力系統(tǒng)息息相關(guān)。電力的輸送主要依靠架空輸電線路或地下電纜。當輸電線路中流過一定的負載電流時會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，隨著負載電流的增大輸電線路的溫度也愈來愈高，一旦溫度過高會導致短路、火災(zāi)甚至是爆炸等嚴重的安全事故。通常，輸電線纜表面溫度不超過60℃基本是安全的。為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全運營，必須對輸電線纜的溫度進行實施精確的監(jiān)測。

目前，高壓輸電線路安全監(jiān)測主要依靠人工巡檢和布設(shè)電信號傳感器的方式進行。人工巡檢的方式代價高、效率低而且不能實時監(jiān)測，電學傳感器一般采用有源電信號傳感器結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。然而電學傳感器易受電磁場干擾，還存在布線復雜、安裝維護困難、絕緣性差等問題[1-2]。光纖傳感是一種光學傳感測量技術(shù)，體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、易組網(wǎng)等優(yōu)點使其在電力系統(tǒng)安全監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外的研究者們報道了多種光纖傳感技術(shù)在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括電纜測溫、電力設(shè)備測溫、線路覆冰監(jiān)測、微風振動和電力系統(tǒng)的氣體監(jiān)測等[3-7]。

雖然光纖傳感器應(yīng)用于電力系統(tǒng)安全監(jiān)測有諸多優(yōu)勢，但光纖本質(zhì)上是一種導光玻璃纖維，其機械強度較低，在實際使用時通常需要通過金屬封裝結(jié)構(gòu)對光纖進行保護，才能使傳感器適應(yīng)各種工況[8-10]。對于光纖光柵溫度傳感器來說，感測溫度信息的柵區(qū)如果不加以保護或封裝，則光柵極易受到外界應(yīng)力作用從而發(fā)生斷裂，如果加了保護層或封裝結(jié)構(gòu)就會導致熱傳導特性的改變，影響其響應(yīng)速度和靈敏度。因此，本文設(shè)計了一種基于抗彎拉光纖光柵溫度傳感器陣列和波分復用(WDM)技術(shù)的準分布式輸電線路安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)單系統(tǒng)320個測點的同時監(jiān)測，可用于輸電線路溫度的長距離實時在線監(jiān)測，能夠滿足電力系統(tǒng)安全運行監(jiān)測的需求。

1 傳感器設(shè)計

1.1 溫度傳感器原理

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)是通過改變光纖纖芯的折射率使其產(chǎn)生周期性變化而形成的光柵。當寬帶光源入射到FBG中時，滿足布拉格條件的光被FBG反射回來，反射光的中心波長稱為布拉格波長，滿足下式：

λB=2neffΛ

(1)

式中：Λ為光柵周期；neff為光柵的有效折射率。環(huán)境溫度和應(yīng)變都會導致FBG有效折射率和光柵周期的變化，從而引起中心波長的漂移，即FBG對溫度變化和應(yīng)變同時敏感。布拉格波長的變化可以表示為

(2)

式中：T為溫度；ε為應(yīng)變。

當FBG僅受溫度影響時，熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)會分別使有效折射率和光柵周期發(fā)生改變，變化關(guān)系可以表示為

(3)

(4)

式(4)即FBG中心波長變化與溫度變化之間的關(guān)系，這也是FBG用于溫度傳感的基本原理。FBG對溫度的傳感特性系數(shù)是一個與材料相關(guān)的常數(shù)，使得FBG對溫度信息有較好的線性響應(yīng)。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，只需根據(jù)光柵中心波長的變化量即可得到環(huán)境溫度信息。需要注意的是，F(xiàn)BG用作溫度傳感器時需保證FBG不受應(yīng)力應(yīng)變的影響。

1.2 傳感器陣列及解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

在基于多光纖光柵串聯(lián)方案的準分布式光纖傳感系統(tǒng)中，需要在單根光纖上串聯(lián)多個FBG傳感器。光纖傳感系統(tǒng)一般采用的復用技術(shù)包括波分復用、時分復用、空分復用等。由于光纖光柵傳感系統(tǒng)以傳感器反射中心波長的漂移量為接收信號，所以主要采用波分復用技術(shù)。波分復用是根據(jù)光源光譜帶寬，對不同的光纖布拉格光柵傳感器進行光譜編碼。發(fā)送端將多個波長的光耦合到傳感光纖中，傳感光纖上布設(shè)具有不同中心波長的FBG，接收端將不同波長的光信號分離解調(diào)。通過檢測和分析各個傳感器中心波長的漂移情況，可知不同傳感器測量區(qū)域的溫度變化情況。

根據(jù)FBG的溫度傳感特性，中心波長為1550nm的石英光纖光柵的溫度靈敏度約為11.2pm/℃，其有效測溫范圍通常在-40℃～200℃。而對于電網(wǎng)輸電線纜而言，當線纜外皮溫度不超過60℃基本是安全的，超過70℃則可認為有危險。因此，對于掛載于輸電線纜上的光纖溫度傳感器而言，多FBG串聯(lián)的布設(shè)方式只需使相鄰的兩個FBG中心波長相差5nm，即可確保溫度變化導致的中心波長漂移不會互相影響。這樣，在一個通道上就可串聯(lián)10個FBG傳感器，使用32通道解調(diào)系統(tǒng)，可實現(xiàn)320個測點的準分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 FBG傳感器陣列示意圖

由于普通FBG傳感器較為脆弱，在安裝施工時極易因操作不當或其他意外因素導致傳感器斷裂失效，而在電網(wǎng)的長期掛網(wǎng)使用過程中，也易因線纜震動或擺動導致受應(yīng)力過大被拉斷。因此，抗彎拉性能對于光纖光柵傳感器的工程施工影響很大，對傳感器安裝后的長期正常使用也具有較大影響。本文使用的光纖光柵為抗彎拉光纖光柵，可以有效地改善普通FBG傳感器的機械強度。

光纖光柵傳感器陣列通過光開關(guān)接入解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)模塊采用全息體相位光柵探測陣列技術(shù)。如圖2所示，輸入光信號經(jīng)過準直透鏡后被全息體相位光柵分光，再經(jīng)聚焦透鏡聚焦到光電探測器上，探測器輸出的電信號經(jīng)處理電路處理后輸出至上位機。整個解調(diào)系統(tǒng)采用陣列式探測，無機械活動部件，抗震動性能好，體積小巧，測量精度高。

圖2 解調(diào)系統(tǒng)示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

經(jīng)過前期的理論分析，傳感器陣列的每一個通道都分別選用了中心波長為1 525nm、1 530nm、1 535nm、1 540nm、1 545nm、1 550nm、1 555nm、1 560nm、1 565nm、1 570nm的抗彎拉FBG，共32通道320個FBG傳感器。每個通道上的10個傳感器串聯(lián)，并通過光纖跳線連接至解調(diào)系統(tǒng)各個通道上。

傳感器的安裝過程如下：1)用砂紙打磨的方式將線纜表面頑固污漬部分去除，再用酒精試劑將線纜表面油污和灰塵等去除干凈；2)使用夾具或膠帶將FBG固定在粘貼區(qū)，使其保持自然伸直狀態(tài)，避免FBG受到應(yīng)力影響；3)用毛刷將丙烯酸酯膠黏劑均勻涂抹在FBG柵區(qū)兩端外側(cè)的單模光纖上，覆蓋光纖后用膠帶固定，保持24h的固化時間。這種兩端點粘的方式可以有效避免傳感器受到應(yīng)力應(yīng)變的干擾。

首先在實驗室內(nèi)對一段長約10km的線纜進行測試，實驗環(huán)境的相對濕度為35%，室溫為30℃。使用恒溫加熱臺對部分傳感器布設(shè)區(qū)域進行局部加熱，并且使用多通道熱電偶作為溫度標準計。由于傳感器數(shù)量太多，本文選擇通道1中的FBG1-FBG10作為展示對象，其初始狀態(tài)分別為1 525.073nm、1 530.189nm、1 534.979nm、1 540.133nm、1 544.995nm、1 550.045nm、1 555.102nm、1 559.904nm、1 565.000nm、1 569.932nm。將恒溫加熱臺的溫度分別設(shè)定為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，每次設(shè)定溫度后等待10min使加熱臺溫度達到恒定，然后記錄數(shù)據(jù)，得到傳感器在30℃～100℃范圍內(nèi)間隔10℃的響應(yīng)結(jié)果。傳感器中心波長隨溫度的變化情況如圖3所示。為了便于觀察，圖4展示了FBG3和FBG4的中心波長隨溫度的變化?？梢?，隨著環(huán)境溫度的升高，傳感器的中心波長呈線性增大。

圖3 傳感器中心波長隨溫度的變化

圖4 FBG3與FBG4的中心波長隨溫度變化圖

分別用x和y表示溫度和波長值，對采集到的數(shù)據(jù)進行y=ax+b形式的線性擬合，可得擬合直線的參數(shù)如表1所示。其中，F(xiàn)BG1的響應(yīng)特性擬合直線為y=0.011 12x+1 524.741 75，擬合直線斜率的物理意義就是溫度每變化1℃波長飄移0.011 12nm，也就是說FBG1的溫度靈敏度為0.011 12nm/℃，即11.12pm/℃。FBG1-FBG10的斜率平均值約為0.011 2，即平均溫度靈敏度為11.2pm/℃。

表1 傳感器響應(yīng)特性擬合直線的參數(shù)

為驗證這種基于光纖光柵陣列輸電線路溫度監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，將測試電纜架設(shè)安裝于室外測試現(xiàn)場。在解調(diào)系統(tǒng)的上位機軟件界面設(shè)置各傳感器編號FBG1-FBG320，根據(jù)上述測試結(jié)果分別設(shè)置各傳感器的一次項系數(shù)和常數(shù)項以及初始中心波長值，并設(shè)置為數(shù)據(jù)記錄間隔為1h，系統(tǒng)自動記錄并輸出溫度數(shù)據(jù)。測試當日氣溫為22℃～31℃。自早8∶00起至晚22∶00測得的電纜表面溫度數(shù)據(jù)如圖5所示，溫度最高值為37.8℃。由于傳感器數(shù)量過多，本文選擇前4個通道的傳感器FBG1-FBG40，測得的溫度數(shù)據(jù)繪制成如圖6所示的三維變化曲線，從圖中可以清晰地看出電纜表面在不同時刻的溫度情況。

圖5 傳感器陣列測得的電纜表面溫度數(shù)據(jù)

圖6 前4通道傳感器FBG1-FBG40的實測數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文研制了基于光纖光柵陣列的輸電線路溫度監(jiān)測系統(tǒng)，單系統(tǒng)可實現(xiàn)320個測點的同時監(jiān)測。研制的光纖光柵溫度傳感器靈敏度為11.2pm/℃。試驗結(jié)果表明，該技術(shù)可用于輸電線路溫度的長距離實時在線監(jiān)測，其性能能夠滿足電力系統(tǒng)安全運行監(jiān)測的需求。