基于光纖光柵傳感的變壓器繞組溫度檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：傳統(tǒng)溫度傳感器受到周?chē)h(huán)境因素的影響很大，系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)并且對(duì)溫度極其靈敏的光纖光柵傳感器。利用光信號(hào)的測(cè)量和傳輸，再解調(diào)成溫度信號(hào)。分析了光纖光柵傳感器的原理和系統(tǒng)構(gòu)成，介紹了軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，可滿足變壓器繞組高精度溫度測(cè)量要求。
關(guān)鍵詞：變壓器；光纖光柵；溫度監(jiān)測(cè)；繞組測(cè)溫

0 引言
在電力系統(tǒng)中，溫度過(guò)高是導(dǎo)致火災(zāi)產(chǎn)生的重要原因。電力變壓器作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其繞組溫度的高低直接影響變壓器的絕緣性和老化率，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。正常情況下，熱點(diǎn)溫度的常用基準(zhǔn)值為98℃，老化率與溫度之間的關(guān)系是在基準(zhǔn)溫度上，每上升6℃老化率增加一倍，每下降6℃壽命可延長(zhǎng)一倍。熱點(diǎn)溫度如果超過(guò)允許值，不僅會(huì)影響變壓器的使用壽命，還會(huì)影響變壓器的運(yùn)行安全。因此，對(duì)變壓器繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度進(jìn)行預(yù)警并采取有效措施，則可以減少相應(yīng)的事故發(fā)生。
目前，傳統(tǒng)的變壓器繞組溫度的監(jiān)測(cè)方法是電信號(hào)測(cè)量和紅外測(cè)量?；陔娦盘?hào)的測(cè)溫系統(tǒng)如熱電偶、電阻溫度計(jì)等，這類(lèi)電信號(hào)的傳感器容易受到電磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量效果不好。紅外測(cè)溫實(shí)際上屬于非接觸測(cè)溫，雖然此方法靈敏度和準(zhǔn)確度都很高，但是卻很容易受到周?chē)h(huán)境和電磁場(chǎng)的干擾，而且需要人工操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)人在線監(jiān)測(cè)。另外，紅外測(cè)溫儀無(wú)法安裝到變壓器內(nèi)部，只能測(cè)量變壓器表面的溫度，誤差較大。光纖測(cè)溫系統(tǒng)是最近幾年應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的令人滿意的測(cè)溫方法，由于光纖傳感器本身防爆、絕緣、抗電磁干擾、質(zhì)量輕、體積小，具有良好的可操作性和埋人性；時(shí)域變換性好，易于多點(diǎn)分布測(cè)量，并可單線多路復(fù)用，構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)和陣列，便于波分時(shí)分復(fù)用及分布式傳感。

1 光纖光柵傳感器的工作原理
光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)折射率呈周期性調(diào)制的一種無(wú)源器件。其反射或透射峰的波長(zhǎng)與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)。而外界溫度或應(yīng)變的變化會(huì)影響光纖光柵的折射率和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)的變化。光纖布拉格光柵是一種最簡(jiǎn)單、最普通的光纖光柵，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。當(dāng)入射光譜經(jīng)過(guò)FBG時(shí)，滿足Bragg條件的波長(zhǎng)λB的單色光被反射回入射端，其余光透射。原理圖如圖1所示。

由耦合模理論分析可知，F(xiàn)BG反射光中心波長(zhǎng)λB可表示為：
λB=2neffΛ (1)
式中：Λ為光柵的周期；neff為有效折射率。由式(1)可以看出，光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)λB由光柵的周期Λ和有效折射率neft決定，而Λ和neff又受溫度和應(yīng)變的影響，因此，溫度和應(yīng)變的變化可以通過(guò)Bragg波長(zhǎng)λB間接地反映出來(lái)。將式(1)微分可得Bragg中心波長(zhǎng)的位移量：

式中KT為溫度靈敏度。由式(3)可知光纖光柵的波長(zhǎng)的偏移量與溫度變化呈線性關(guān)系，因此只要測(cè)出布拉格光柵波長(zhǎng)的偏移量就可以測(cè)得溫度的改變量。

2 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的建立
光纖光柵調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)原理圖如圖2所示。使用ASE光源(Amplification of Spontaneous Emission)，經(jīng)過(guò)FFP(Fiber Fabry-Perot)可調(diào)諧光濾波器后，成為窄帶掃描光，經(jīng)光纖光柵傳感器反射后，由光電管PD(Photo Detector)探測(cè)出一系列光功率信號(hào)，通過(guò)軟件處理和與標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的比較，解調(diào)出不同光柵傳感器的中心波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)物理量的測(cè)量。本解調(diào)器有8個(gè)光學(xué)信道(Optic Channels)，ASE光源將光功率平均分給8個(gè)信道，每個(gè)信道可以接入一串不重復(fù)波長(zhǎng)的光纖光柵傳感串；信道與信道之間波長(zhǎng)可以重復(fù)，測(cè)量時(shí)傳感器不會(huì)相互影響。

光纖測(cè)溫系統(tǒng)可分為三個(gè)部分，即傳感器部分、調(diào)制解調(diào)部分、數(shù)據(jù)的處理部分。