6-基于光纤传感的高压开关柜温度监测原理与设计

△Ａ＝ａ×Ａ×△ｒ （５）
光纤布拉格光栅的主要特征参量 用耥合波理论对光纤Ｂｍｇｇ光栅基本光学特性的分析，光
纤Ｂｍｇｇ光栅的基本光学特性主要由以下三个量来表征： （１）布拉格波长Ａ。。是在光纤光栅中基模光能满足布拉 格条件的波长。根据光纤光学，即使是基模，与它相应的射方 向也与光纤的光轴夹一很小的角度嘲。该射线对布拉格光栅的 掠角设为西，显然式中西＝９０。，满足布拉格条件的波长可以 证明应满足：
芯层（。。）
。冷
、 ＼
／
的不完善造成的损耗。实际应用中的测量系统的主要技术指
标‘７咆括：空间分辨率，测量精度，测量时间，测量动态范围。
。 Ｌ
包层（ｎｚ）
、
击
３光纤测温仪的软件设计
布拉格光栅
圈２光纤布拉格光栅分析图
光纤测温系统【８Ｊ的软件部分，采用模块式程序结构，流程
万 方数据
《装备制造技术》２００９年第１２期
【Ｊ】．半导体光电，１９９７，（８）：２２０－２２３．
（１）自诊断程序。为提高系统的可靠性和可维护性，开机 或复位之后先执行自诊断程序，对ｃＰｕ，片内ＲＡＭ，ＲＯＭ，ｌ，０ 端口及外围器件进行检查，由于显示装置的限制，尚未实现故 障的准确定位。 （２）初始化程序。包括设置定时器、计数器的工作方式， 对８２５５的初始化以及一些片内ＲＡＭ的初始化。 （３）数据采集子程序。是软件设计的核心程序，采用直接 测频法完成对频率的测量唧。直接测频法测量迅速，编程简单， 适合于对较高信号频率的测量。实现方法是在给定的闸门信 号中添人脉冲，通过必要的计数线路，得到填充脉冲个数，从 而算出待测信号的频率或周期。 （４）温度计算及显示程序。根据温度与频率的转换关系， 数值插值计算实时温度，若不超过极限温度值，将通道号与温 度值转换为ＢＣＤ码送ＬＥＤ显示，否则进行声光报警【ｌｑ。 （５）键识别程序。根据键入的命令，转至相应的子程序或 管理程序，使系统按照控制命令执行测温及温控等工作。
当今社会对电能的依赖性极高，电力供求形势严峻，电力 系统设备的安全稳定运行，关系到整个国民经济的发展和人 民生活的稳定。随着现代电力向着高电压、大机组、大容量的 迅速发展，对电力系统设备可靠性也提出了越来越高的要求。 而高压开关柜作为发电厂、变电站中的重要设备，在长期运行 过程中，开关柜内发热部位的温度无法监测，由此最终导致火 灾事故和大面积的停电。解决开关柜过热问题，是杜绝此类事 故发生的关键。 通过监测开关柜内触点的温度运行情况，可有效防止开 关柜的火灾发生，但由于开关柜内高压狭小的结构，无法进行 人工巡查测温，因此实现温度在线监测，是保证高压开关柜安 全运行的重要手段。当前对高电压下有限空间内的温度有多 种测量方法，可分为普通温度传感器（常用的有电阻式、辐射 型、石英谐振型等）和光纤温度传感器【ｌｌ，它们都是基于温度变 化引起其物理参数变化原理工作的。对于光纤温度传感器，由 于较普通传感器在应用中具有更加好的效果。特别是某些领 域对温度的测定可能造成一些实际的困难，如被测体所处的 环境可能相当恶劣，或许正在运动之中，或处于极难接近的位 置。或者是根本无法与探头直接接触，被测体周围也可能呈现 有其他形式的、足以排斥使用纯电子测温仪的可能性和电磁 ．干扰，例如高压开关柜触头节点就所处在高电压、高温度、强 磁场干扰的狭小空间环境。目前应用在高压电气设备上；主要 采用光纤半导体吸收式传感器和光纤荧光型传感器。国内外 在这方面进行了广泛的应用研究，特别是光纤半导体吸收式 传感器翻，有诸多产品出现，在实际应用中取得了较好的效果。 本文将利用光纤传感技术的基本原理，以高压开关柜内 触点温度实时监测作为具体应用研究对象，研究分析基于光 纤传感器的新型高压电气设备多路温度实时监测的原理及相 关设计。
参考文献：
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图３软件部分主程序流程框图
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△Ａ＝Ａ：［盯２＋∞Ｌ）２ ｒ一／２％￡
（４）
至此，我们给出了光纤布拉格光栅的反射率Ｒ、Ｂｒａｇｇ光 栅波长Ａ。和带宽△Ａ等几个重要参数，它们对光栅的应用均 有重要的意义。需综合考虑。
２．３
光纤光栅的温度传感原理 温度、应变和压力的变化，会引起光纤光栅的栅距和折射
光纤写入布托格光栅的原理：光纤Ｂ哗ｇ光栅是利用光纤
纤芯物质的光敏特性，用强度周期变化的紫外光，从光纤的侧 面照射，与光强最强处对应的：卷层的截面的折射率将会发生 永久的改变。光纤纤芯折射率发生周期性或非周期性变化而 形成的光栅。其原理图如图１所示。
反射光
率的变化，从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化ｆｑ。通 过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应 的温度、应变和压力的信息，这就是用光纤光栅测量温度、应 变和压力的基本原理。 为了能得到光纤光栅温度传感更详细的数学模型，在此 有必要对所研究的光纤光栅作以下假设： （１）仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物
周期变化，造成光纤波导条件的改变，从而导致一定波长发生 相应的模式耦合，使得其透射和反射光谱对该波长出现奇异 性。所谓光敏性，是指强激光或紫外光通过照射掺杂光纤时， 光纤的折射率增量等随光强发生线性变化【４ｌ。写入方式，是指 在光纤纤芯中形成光栅的实验条件和实验方式。光纤光栅的 写入方式有许多种，从使用的光源看，有激光和紫外光；从使 用的方式看，有干涉型写入和非干涉型写入；就干涉型而言， 有驻波式干涉和全息式干涉。几种写人方式可概括为：侧面全 息相干法、掩模法、逐点刻栅法。
７．Ｏ×１０。℃。
由式（５）和式（６）可得，由温度变化产生的Ｂｍ路波长漂移为：
Ａ口：２Ａ％／．｜｝
式中，以为栅距。
（２）
△Ａ日，Ａ口ｒ＝＠＋毋×△ｒ＝７．５×１０‘△ｒ
（７）
可见，在无应变作用时，Ｂ捌粥波长漂移与温度变化成线 性关系。应当指出的是：随着距离的增加，光功率逐渐下降，即 光纤传输损耗，分为吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构
式中，ａ为光纤的热膨胀系数，对掺锗石英光纤，其值为
Ｏ．５×１０４，℃。
Ａ口＝Ｍｎｌ
ｃｏｓ咖／．ｊ｝
（．｜｝＝１，２，３）
（１） △他，＝一矿×亭×△ｒ
由热光效应引起的有效折射率变化为
（６）
上式中凡。ｃｏｓ咖的通常称为有效折射率心矿，它的大小介 于ｎＩ，％之间，即儿ｌ＜，ｌ。∥＜他，上式 可写成：
式中，亭为光纤材料的热光系数，对掺锗石英光纤，其值为
ｐｒｅ鹪ｕｒｅ．８咄ｎ
９９一１４３．
ａｎｄ
ｔｅｍ阳址呲ｍ．Ｐｈｙ８ｉｃｓ
Ｒｅ叫ｓ＇１９９８，１６９（２）：
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【５】张在宣，吴孝彪，等．分布光纤Ｒ—一光子温度传感器（ＤＯＦＲＰｒｓ）
系统的信号和噪声分析【Ｊ】．中国计量学院学报，１９９８，（１２）：３＿７． 【６】陈军，李永丽．应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术
中图分类号：．『Ｍ５９１ 文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２—５４５×（２００９）１２删—０３
物量、化学量的检测，通常指带有光纤传感头的测量装置，包 括光纤传感头、传输光纤、二次处理的电子线路及仪表【３ｌ。 １．１组成及特点 光纤传感器不同于传统的传感器，系由光、机、电组合而成 的—个复合系统，因此其特点将体现在系统的三个主要部分： （１）光纤。采用光纤作为信号调制与传输的媒介，充分利 用光波导的特性； （２）信号检测部分。由于目前直接检测光频还非常困难，光 信号通常要转化为电信号进行检测，存在着二次转化的问题； （３）信号处理部分。由于被测量是由光信号转化为电信 号，信号的处理也有其特点。 １．２优点 与传统的各类传感器相比，光纤传感器具有一系列独特 的优点： （１）抗电磁干扰和电绝缘。耐腐蚀，本质安全。由于光纤 传感器是利用光波传输信息，比一般的电磁辐射频率要高得 多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响；光纤本 身是用高绝缘的介质制成的，且光纤传感器中的敏感元件也 一般用绝缘材料做成。因此完全电绝缘；制作光纤的石英材 料，有着很高的化学稳定性，应用这些稳定的光纤构成的传感 器，化学稳定性能极其稳定，耐腐蚀，安全。 （２）灵敏度高，动态范围大。这是光纤传感器的显著特点 之一。其中有的已由理论证明，有的已经实验验证。 （３）重量轻，体积小，成本低，可挠曲。光纤除具有重量 轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此可以利用光纤制 成不同外型、不同尺寸的各种传感器。 （４）测量对象广泛，对被测介质影响小。目前已有性能不 同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 （５）易于实现对测量的远距离监控，便于复用成网，有利 于与现有的光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。
万 方数据
４５
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．１２，２００９
（２）峰值反射率Ｒ。研究证明：最大的反射率Ｒ可按下式
２光纤测温的原理
２．１
求出： Ｒ＝ｔ锄＾。（矗￡）
（３）
光纤布拉格光栅的制作 光纤布拉格光栅就其本质讲，是由于光纤纤芯区折射率 式中，￡为光栅长度，．｜｝是一个与Ａ。，折射率凡，，调制的程 度等参量有关的一个量，是它们的函数，通常用实验测定。 （３）反射光谱的带宽△Ａ。如果反射光的波长是Ａ。，那么它 有一定的带宽，可按下式计算：
《装备制造技术》２００９年第１２期
基于光纤传感的 高压 开关柜温度监测原理与设计
靳卫国，张小刚，高远
（河南省电力公司安阳供电公司，河南安阳４５５０００）
摘要：光纤传感器的出现，为高压电气设备温度监测研究提供了新的思路。采用电测温度探头和光纤传输相结合的方法．利用电传感 技术和光纤耦合的高电压绝缘、抗电磁干扰性能强等优点。可实现对高压开关柜温度的实时监测。 关键词：光纤传感；布拉格光栅；温度监测；高压开关柜