电力电缆光纤光栅实时在线测温传感器优化设计

祁耀斌，吴敢锋，王月明

(武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉，430070)

摘要：开发高压超高压电力电缆光纤光栅温度传感器系统，提出光纤光栅传感机理，建立优化设计框架。通过光纤光栅温度传感器封装结构优化设计，提出片式封装结构；通过线性度优化设计，提出用铝板作为封装基底材料；通过外界应力场影响补偿优化设计，提出采用40 mm×10 mm(长×宽)的小尺寸封装方法。进行光纤光栅温度传感器水域实验和光纤光栅测温系统对比实验，讨论系统的性能和可行性。并将光纤光栅温度实时在线监控系统应用于实际工程项目，分辨率达0.1 ℃，精确度达±0.5 ℃，测温范围可达-30~200 ℃。

关键词：光纤光栅；封装体优化设计；电力电缆；温度在线监控

中图分类号：TP277         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)11-3415-06

Optimum design of fiber Bragg grating real-time on-line temperature detecting sensor for power cable

QI Yao-bin, WU Gan-feng, WANG Yue-ming

(National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology,

Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract: Fiber Bragg grating (FBG) temperature sensor system for high and extra high power cable was developed. Starting from theoretical model, FBG sensing mechanism was proposed to establish a framework for optimal design. Bonded encapsulation structure was proposed through the optimum design for the encapsulation structure of FBG temperature sensor. Using aluminum plate was proposed as encapsulating substrate material through the optimum design for linearity. The method of encapsulating with small size of 10 mm×40 mm was proposed through the optimum compensation design for external stress field. Then, water experiment on FBG temperature sensor and comparative experiment on FBG temperature systems were conducted, and the performance and feasibility of the system was discussed. Finally, FBG temperature on-line monitoring system was applied to actual projects, in which the resolution is up to 0.1 ℃, the accuracy reaches ±0.5 ℃, and the temperature range is -30-200 ℃.

Key words: fiber Bragg grating; optimum design for package; power cable; temperature on-line monitoring

电力电缆运行温度制约着高压超高压输配电系统的安全运行。电力电缆系统温升，一方面来自电缆电阻的存在^[1-2]。另一方面，高压超高压电力电缆架跨越高山峻岭和江河湖泊，自然气候对于电缆系统的安全运行影响极大^[3]。因此，为了安全运行高压超高压输电系统，迫切需要建立高压超高压电力电缆实时在线测温度系统(HAEHVP-CTOMS)。目前，基于光纤温度传感器的电力电缆温度在线监控系统(CTOMS-BO- OFS) 因其具有测量精度高、测量距离范围远、抗干扰能力强等优点正在成为研发热点^[4-8]。并已大量应用于电力系统中的变压器、高压开关柜、电缆接头等的温度在线监测^[9-10]。现有光纤光栅监测系统多是对关键点和故障点的检测，不能满足整个电力电缆系统的实时在线检测。结合电力电缆测温要求，本文研发了用于电力电缆温度实时测量的光纤光栅温度传感器，提出在1根光纤线路上串接多个光纤光栅传感器模块，再通过波分复用技术将模块联结起来，组成实时测量网络，从而实现对于整条高压超高压电力电缆线路温度的实时在线监测。

1  光纤光栅测温原理与系统结构

1.1  光纤光栅测温原理

根据FBG模式耦合理论，均匀非闪耀FBG可将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模，从而形成窄带反射，峰值反射布拉格波长，公式如下：

                  (1)

式中：为光栅周期；n_eff为光栅的有效折射率(折射率调制幅度大小的平均效应)。

对式(1)取微分，可以得到布拉格光栅波长漂移

           (2)

式中：为温度引起的热膨胀或者是轴向应变对周期的影响；为温度引起的热光效应或者是轴向应变引起的弹光效应对光纤纤芯有效折射率的影响。当布拉格光栅处于没有外力引起应变的自然状态时，如果温度发生变化，光纤材料的热光效应会引起光纤纤芯有效折射率n_eff的变化，光纤材料的热膨胀效应会引起光栅周期的变化。

式(1)对温度取导数后再两边分别除以式(1)两端，可得：

          (3)

令

                  (4)

式中：ξ为光纤光栅折射率温度系数，即光纤材料的热光系数。若

                  (5)

式中：为光纤的线性热膨胀系数。

这样，可将式(4)改写如下形式：

             (6)

式(6)即为布拉格光栅温度传感的机理模型。可以看出，当光纤光栅材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度的系数基本上为一个与材料系数相关的常数，这就在理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器可以得到很好的线性输出。

若

         (7)

其中：为光纤光栅温度传感器的灵敏度系数。则可得：

             (8)

式(8)即为光纤光栅波长变化与温度变化的关系模型。根据这一模型，人们可以通过监测波长变化得到温度变化。

1.2  测温系统构架

布拉格光栅分布式传感系统是在一根光纤上串接多个具有不同光栅常数的布拉格光栅，宽带光源所发射的宽带光经Y型分路器通过所有的布拉格光栅，每个布拉格光栅反射不同中心波长的光，反射光经Y型分路器的另一端口耦合进解调仪。当被测参量(如温度)发生变化，通过解调仪探测反射光的波长变化，就可以知道各个布拉格光栅处被测量的情况。

结合电力电缆温度监测实际要求，光纤光栅温度在线监测系统结构模型(见图1)可分为以下3层。

(1) 数据采集层：分布在电力电缆/接头表面或电缆桥架上方的光纤光栅传感器采集其表面温度；

(2) 数据监测层：通过传输光缆将光纤光栅传感器采集到的数据上传信号处理器，实现在线监测；

(3) 远程监控层：将中间层监测到的数据整理打包，通过网络传给远程监控中心，实现远程监控。

图1  光纤光栅温度在线监测系统构架模型

Fig.1  Optical fiber grating temperature on-line monitoring system structure model

2  光纤光栅传感器封装体优化设计

光纤光栅温度传感器优化设计的核心是封装体优化设计结合电力电缆测温特点，光纤光栅温度传感器封装优化设计如图2所示。

图2  光纤光栅传感器优化设计

Fig.2  Optimum design of fiber Bragg grating sensor

2.1  封装优化设计原理

光纤光栅温度测量的工程规则包括温度传递性，有一定机械强度，灵敏度高，线性度好，并且能克服一定的外界应力场影响。由于光纤本身的特点，必须采用保护性封装形式。裸光纤光栅温度传感器在没有增敏条件下的灵敏度只有0.010 nm/℃，传感器受到温度作用时，光纤光栅的反射波长变化较小，不能直接将其用于实际工程中。在工程测量中，需要将布拉格光栅进行增敏封装设计。由式(8)可以看出：光纤光栅温度灵敏度与材料的热膨胀系数有关。当FBG被牢固地粘接在或埋置于另一种材料中，则这种材料的形变和热膨胀通过应力对FBG起作用，引起光栅周期的改变，利用这种特性可以提高FBG的温度灵敏度。

封装后FBG的温度响应为：

      (9)

式中：P_e为有效弹光系数；为基底材料的热膨胀  系数。由式(9)可看出，选择热膨胀系数较大的基底材料可以提高传感器的灵敏度。封装后的FBG温度传感器灵敏度仅与FBG自身材料和封装材料性能有关，与外界温度变化无关，即温度传感性能在热应力作用下仍然保持线性关系。保证灵敏度的方法是提高温度测量线性度，因此封装优化设计的最终目标是提出温度测量的线性度。

温度和应力是影响光纤光栅传感器波长偏移的主要因素，对于光纤光栅温度传感器，克服外界应力的影响是必须考虑的。光纤光栅电力电缆的测温，主要的外界应力来自电力电缆的微弯(见图3)。

建立图4所示的坐标系，ds为微段弧长，dx为微段坐标长，dl微段斜边长，θ为dl和dx所成夹角。

图3  电缆微弯模型

Fig.3  Model of microbend cables

图4  电缆微弯数学模型

Fig.4  Mathematical model of microbend cables

在一小段微弯弧上，ds可近似于dl，因此

              (10)

当微段足够小时，，，即微段弧长和微段坐标是同阶无穷小，所以此时微段基本不受微弯的影响。本文传感器的形状为薄条状，尺寸为40 mm×10 mm(长度×宽度)，相对于一般截面积2 500 mm²、长度2 km的电缆，可以近似等价于图4中的数学模型，即电缆微弯不会对传感器产生影响。从物理上讲，可建立重力作用下的架空电缆微弯模型(见图5)，其中，l₁为电缆长度；l₂传感器长度。电缆保持刚度条件可以表示如下：

≤              (11)

式中：ω为电缆微弯的绕度；为许用绕度。

对于工程常用的架空管道，

              (12)

而对于传感器部分或电缆一小段微弯部分而言，传感器长度为40 mm，所以，

 mm          (13)

显然，式(13)满足式(11)，所以对传感器部分或电缆一小段微弯部分满足刚度条件。

图5  电缆微弯物理模型

Fig.5  Physical model of microbend cables

2.2  封装方法及优化目标

由此，开发了热膨胀系数较大的薄片铝板作为基底材料的FBG传感器。首先对FBG进行预张和固化，接着把FBG套入石英管中，两端用环氧树脂封装，然后把石英管放在薄片铝板的凹槽中，石英管底部用耐高温胶封装固定于凹槽中。传感器的形状为薄条状，尺寸为40 mm×10 mm，这种结构设计有利于在电力电缆接头进行固定安装，并且可以线性提高光纤光栅的伸缩量，其基本结构见图6。这种封装的FBG传感器具有较好的线性度，其热灵敏度为裸光纤光栅的3.5倍，测量精度大大提高，并且能克服外界环境(如光纤光栅传感器的微弯)的影响，适合在电力电缆上应用。

光纤光栅传感器封装体优化设计目标：(1) 温度传递及封装保护。通过选择铝片为基底封装材料、基体尺寸为40 mm×10 mm的片式封装方法；(2) 提高线性度。根据式(10)，提高K_T的同时，并保持K_T为常数；(3)克服外界应力场：根据式(11)和式(12)，实现传感器结构和尺寸小型化。

图6  拉伸式光纤光栅温度传感器结构

Fig.6  Tensile optical fiber grating temperature sensor structure

3  拉伸式光纤光栅温度传感器优化设计水域实验

将经过拉伸后的光纤光栅温度传感器放在标准水域仪中进行试验，从低温到高温对光纤光栅温度传感器进行循环测试，每次待水域温度完全恒定后，用水银温度计测试当前的水域温度并与此刻光纤光栅温度传感器视值进行对比。

将光纤光栅传感器不同时刻的波长及对应温度关系(见表1)绘制成曲线(见图7)。由图7可以看出，经过增敏封装后的光纤光栅温度传感器从低温到高温，依然能够保持良好的线性度。

将表1中任意一时刻的光纤光栅传感器的温度视值与对应水银温度计刻度值及其误差绘制成曲线(见图8)。由图7和图8可知，拉伸式光纤光栅温度传感器在保持良好线性度的同时，其测温精度大大提高，基本上可以保持在±0.7 ℃以内。

表1  拉伸式光纤光栅温度传感器水域试验数据

Table 1  Tensile optical fiber grating temperature sensor experimental date in waters

图7  拉伸式光纤光栅温度传感器线性曲线

Fig.7  Tensile optical fiber grating temperature sensor linear curve

图8  拉伸式光纤光栅温度传感器温度误差曲线

Fig.8  Tensile optical fiber grating temperature sensor error curve

4  电缆微弯对光纤光栅测温的影响

由于光纤光栅测温探头需要敷设在高压电缆及接头的外护套表面进行测量，因此光栅就必须能满足电缆平直和弯曲等各种形状的敷设要求，故电缆微弯对光栅温度测量值的影响也有必要进行相关实验研究。

在电缆实验室户外，截取一段便于弯曲的无铠高压电缆，然后在电缆表面均匀布置4只拉伸光纤光栅测温探头。光栅测温探头采用特殊加工的绝缘胶木条做表面保护，绝缘胶木条内涂导热硅脂，再用绝缘胶带将绝缘胶木条和探头捆扎在电缆上，沿4个不同方位弯曲电缆，采用便携式解调器读取4只光栅测温探头弯曲前后的波长，并依次记录4只光栅测温探头的波长。试验数据如表2和表3所示。

根据试验数据及波长变化值综合分析，同时考虑到试验期间环境温度的变化(±0.5 ℃对应传感器波长变化为±0.014 nm)以及便携式解调器本身也存在仪表误差(±0.005 nm的波动)，可见：在本次试验条件下，电缆微弯并未对光栅测温探头的测量值造成任何影响，说明该种封装形式的探头比较适合于在电力领域应用。

5  光纤光栅测温系统对比试验

为验证光纤光栅电力电缆测温系统设计的可行性和实用性。特选定某超高压电缆实验室户外场进行性能测试试验。该户外场有若干段长约200 m的220 kV被测电力电缆，经模拟电缆区、户外场、电缆隧道、模拟工井及地埋等区域。所有被测电缆及接头均要求安装光纤光栅温度传感器，其间隔为2~3 m，在安装光纤光栅传感器的部位同时装有热电偶进行测温   对比。由于高压电缆需要反复加热实验，对温度的一致性和精度要求较高，考虑到传统的电信号传感器具有测温精度高、反应快的特点，在电缆外护套敷设光纤光栅传感器的地方同时安装高精度的热电偶进行测温对比。将被测高压电缆进行循环加热试验，并记录连续运行1周的数据，随机选取高压电缆3个不同部位的3个光纤光栅传感器(光栅03、光栅04、光栅05)，将其温度数据绘成曲线(如图9所示)。随机选取同一点上的2个光纤光栅传感器(模拟回路光栅温度点21、模拟回路光栅温度点22)和1个热电偶温度传感器(模拟回来热电偶温度点28)，将其温度数据绘成曲线(如图10所示)。

分析以上曲线可知：无论是在低温环境还是相对高温区，在电缆表面的光纤光栅测温探头一致性比较好，且和热电偶的温度测试曲线比较吻合，最大温差保持在1 ℃以内。目前，此套电力电缆光纤光栅实时在线测温传感器系统已应用于实际工程项目，分辨率达0.1 ℃，精确度达±0.5 ℃，测温范围可达-30~200 ℃。

表2  实测波长

                                   Table 2  Actual measured wavelength                                 nm

表3  波长变化值

                                    Table 3  Wavelength change values                                 nm

图9  电缆不同部位的光纤光栅测温曲线

Fig.9  Fiber Bragg grating temperature curve in different parts of cable

图10  光纤光栅与热电偶测温对比曲线

Fig.10  Temperature contrast curve between fiber Bragg grating and thermocouple

6  结论

(1) 通过水域试验和微弯试验，验证了电力电缆光纤光栅实时在线测温传感器封装体优化设计方案的可行性。在提高传感器的灵敏度的同时，可克服外界应力场的干扰，并保持较好线性度。

(2) 通过和传统热电偶电力电缆测温系统的对比试验，验证了电力电缆光纤光栅实时在线测温系统的实用性。

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(编辑 邓履翔)

收稿日期：2011-05-13；修回日期：2011-08-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61077061)；光纤传感技术国家工程实验室示范项目(20101d0001)

通信作者：祁耀斌(1966-)，男，湖北黄冈人，博士，副研究员，从事光纤传感器技术及组网研究；电话：18607192699；E-mail: robin@whut.edu.cn