高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測(cè)研究
文章出處：常州地創(chuàng)
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次發(fā)表時(shí)間：2015-05-19 20:12
1 引言
高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測(cè)一直是電力工業(yè)安全運(yùn)行的重大課題之一，但是由于觸頭處在強(qiáng)電磁場(chǎng)、高電壓環(huán)境中，所以目前的監(jiān)測(cè)方法都是圍繞何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾和高電壓的隔離問題，主要方法有感溫紙測(cè)溫、紅外溫度測(cè)量[1-2]、F-P 光學(xué)式測(cè)量[3]、感應(yīng)竊電方式測(cè)量[4]、光纖傳輸方式和紅外無線傳輸[5-6]等。而光纖光柵傳感器集測(cè)量和傳輸于一體，采用光波的形式進(jìn)行測(cè)量和傳輸，具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場(chǎng)干擾和良好的絕緣性能等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合高壓開關(guān)柜的觸頭溫度測(cè)量環(huán)境[7-10]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本文提出了一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測(cè)量方案，同時(shí)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(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，又能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量，這兩個(gè)物理量都能引起光纖光柵布拉格波長的變化[11]。
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(dāng)光纖光柵傳感器所處的溫度場(chǎng)變化時(shí)，可推導(dǎo)出溫度對(duì)布拉格波長變化的影響為[12]
高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測(cè)研究如圖
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(huì)改變光柵的柵格周期，彈光效應(yīng)會(huì)改變光纖的有效折射率，其傳感特性可以表示為[13]
高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測(cè)研究如圖
式中 Pe為光纖的有效彈性系數(shù)，Pe =0.22。正因?yàn)楣饫w光柵傳感器既能測(cè)量溫度又能測(cè)量應(yīng)變，所以在對(duì)高壓開關(guān)柜隔離觸頭實(shí)行溫度測(cè)量時(shí)，就要想辦法屏蔽由于開關(guān)柜振動(dòng)引起的應(yīng)變對(duì)溫度測(cè)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(cè)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(dòng)小車和開關(guān)柜兩部分，高壓開關(guān)柜的觸頭共有六個(gè)，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(duì)六個(gè)觸頭的溫度同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如式(1)、(2)所示，由于光纖光柵傳感器對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)敏感，為了保證溫度測(cè)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(duì)觸頭各點(diǎn)溫度測(cè)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(gè)靜觸頭的安裝示意圖。當(dāng)動(dòng)觸頭與靜觸頭在分、合時(shí)，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(cè)量精度又屏蔽了由于振動(dòng)引起的應(yīng)變交叉敏感影響。
高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測(cè)研究如圖
3.2 光路復(fù)用方案
六個(gè)光纖光柵溫度傳感器的同時(shí)測(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)傳感器串連在一根光纖上，在其中一個(gè)傳感器損壞時(shí)會(huì)影響其它傳感器信號(hào)的傳輸；同時(shí)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(cè)量速度，即在波長解調(diào)時(shí)采用一個(gè)掃描周期可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)傳感器的同時(shí)測(cè)量。
高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測(cè)研究如圖
在圖2 中，A、B、C三相的六個(gè)光纖光柵溫度傳感器處于高電壓側(cè)，分別安裝在靜觸頭孔徑內(nèi)，而耦合器、波長解調(diào)器、控制器以及數(shù)據(jù)處理電路都處于地電位側(cè)，安裝在控制室內(nèi)，采用長距離的光纖傳輸來實(shí)現(xiàn)高電壓側(cè)絕緣隔離。圖中的A1、B1、C1，A2、B2、C2是本文設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器，分別分布在隔離觸頭的上側(cè)和下側(cè)A、B、C 三相上，在常溫下傳感器的波長分別為1548.5nm、1550.1nm、1551.6nm、1553.5nm、1555.5nm、1557.1nm，靈敏度為0.011nm/℃、0.013nm/℃、0.011nm/℃、0.010nm/℃、0.011nm/℃、0.012nm/℃，測(cè)量范圍為0~110℃；耦合器為
由7 個(gè)3dB耦合器組合而成的1´8耦合器；波長解調(diào)器為采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)波長掃描，其工作波長范圍為1548~1558nm，覆蓋6 個(gè)傳感器在0~110℃溫度變化時(shí)的所有波長帶；控制器在數(shù)據(jù)處理器的控制下實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)器的掃描。
3.3 觸頭溫度模型
高壓開關(guān)柜在運(yùn)行時(shí)，觸頭、母線、電流互感器、柜體等構(gòu)成了多個(gè)熱源，高壓開關(guān)柜及
標(biāo)簽:高壓開關(guān)柜,隔離觸頭,光纖光柵,交叉敏感,溫度傳感器,
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