高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測

1 引言

　　高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測一直是電力工業(yè)安全運行的重大課題之一，但是由于觸頭處在強電磁場、高電壓環(huán)境中，所以目前的監(jiān)測方法都是圍繞何實現(xiàn)系統(tǒng)的抗強電磁場干擾和高電壓的隔離問題，主要方法有感溫紙測溫、紅外溫度測量、F-P 光學(xué)式測量、感應(yīng)竊電方式測量、光纖傳輸方式和紅外無線傳輸?shù)取６饫w光柵傳感器集測量和傳輸于一體，采用光波的形式進行測量和傳輸，具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場干擾和良好的絕緣性能等優(yōu)點，因此非常適合高壓開關(guān)柜的觸頭溫度測量環(huán)境?；谝陨蟽?yōu)點，本文提出了一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測量方案，同時采用合理的安裝技術(shù)解決了應(yīng)變交叉敏感的影響。

　　2 光纖光柵傳感器原理

　　光纖光柵傳感器既能實現(xiàn)溫度的測量，又能實現(xiàn)應(yīng)變的測量，這兩個物理量都能引起光纖光柵布拉格波長的變化。

　　光纖光柵的溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起的，熱光效應(yīng)引起光纖光柵的有效折射率的變化，而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期變化。當光纖光柵傳感器所處的溫度場變化時，可推導(dǎo)出溫度對布拉格波長變化的影響為

　　式中 a 為光纖的熱膨脹系數(shù)，主要引起柵格周期的變化，取5.5′10-7;x 為光纖的熱光系數(shù)，主要引起光纖的折射率變化，取5.5′10-6。光纖光柵傳感器的應(yīng)變特性是彈光效應(yīng)和彈性效應(yīng)共同作用的結(jié)果，彈性效應(yīng)會改變光柵的柵格周期，彈光效應(yīng)會改變光纖的有效折射率，其傳感特性可以表示為[13]。

　　式中 Pe為光纖的有效彈性系數(shù)，Pe =0.22。正因為光纖光柵傳感器既能測量溫度又能測量應(yīng)變，所以在對高壓開關(guān)柜隔離觸頭實行溫度測量時，就要想辦法屏蔽由于開關(guān)柜振動引起的應(yīng)變對溫度測量精度的影響，這就是光纖光柵傳感器的應(yīng)變交叉敏感。

　　3 觸頭溫度測量系統(tǒng)方案

　　3.1 光纖光柵傳感器的安裝

　　高壓開關(guān)柜的斷路器分為移動小車和開關(guān)柜兩部分，高壓開關(guān)柜的觸頭共有六個，分別分布在上側(cè)和下側(cè)的A、B、C 三相上，那么為了保證系統(tǒng)的可靠性，必須對六個觸頭的溫度同時進行監(jiān)測。如式(1)、(2)所示，由于光纖光柵傳感器對溫度、應(yīng)變同時敏感，為了保證溫度測量精度，必須屏蔽應(yīng)變的交叉敏感影響，即斷路器的分、合過程中產(chǎn)生的任何應(yīng)變都不應(yīng)傳遞給光纖光柵傳感器。本系統(tǒng)是通過把光纖光柵溫度傳感器單端固定在靜觸頭上，來屏蔽觸頭在碰撞過程中產(chǎn)生的應(yīng)變。另外，為了保證光纖光柵溫度傳感器對觸頭各點溫度測量的均勻性，系統(tǒng)充分利用靜觸頭的中間空位，把溫度傳感器固定在靜觸頭的中間位置，圖1是傳感器在單個靜觸頭的安裝示意圖。當動觸頭與靜觸頭在分、合時，在靜觸頭的圓周位置產(chǎn)生應(yīng)變，而在其中心不存在應(yīng)變，那么應(yīng)變也就傳遞不到光纖光柵傳感器了。這種安裝方案既保證了溫度的測量精度又屏蔽了由于振動引起的應(yīng)變交叉敏感影響。

　　3.2 光路復(fù)用方案

　　六個光纖光柵溫度傳感器的同時測量就涉及到光路的復(fù)用問題，光纖光柵傳感器的復(fù)用可以采用波分復(fù)用(WDM)、空分復(fù)用(SDM)或時分復(fù)用(TDM)方式，本系統(tǒng)是采用空分復(fù)用和波分復(fù)用方法。如圖2 所示，用1′8 耦合器實現(xiàn)對傳感器的空分復(fù)用，這樣可以避免采用單一波分復(fù)用的弊端，即多個傳感器串連在一根光纖上，在其中一個傳感器損壞時會影響其它傳感器信號的傳輸;同時在傳感器工作波長的選擇上又采用了波分復(fù)用方式，用來提高系統(tǒng)的測量速度，即在波長解調(diào)時采用一個掃描周期可以實現(xiàn)六個傳感器的同時測量。