周延輝 趙振剛 李英娜 張長(zhǎng)勝 謝 濤崔志剛 王 科 譚向宇 李 川

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院 昆明 650500 2.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 昆明 650217)

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埋入35 kV干式空心電抗器的光纖布拉格光柵測(cè)溫研究

周延輝1趙振剛1李英娜1張長(zhǎng)勝1謝 濤1崔志剛2王 科2譚向宇2李 川1

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院 昆明 650500 2.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 昆明 650217)

針對(duì)干式空心電抗器高電壓和強(qiáng)磁場(chǎng)的極端環(huán)境，采用埋入式光纖布拉格光柵測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)35 kV干式空心電抗器工作狀態(tài)下的溫度監(jiān)測(cè)。研制出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小且抗電磁干擾的光纖布拉格光柵溫度傳感器，將傳感器埋在導(dǎo)線外包封層表面相鄰兩根通風(fēng)條之間，距離電抗器上沿約40 cm。溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，最內(nèi)導(dǎo)線層與最外導(dǎo)線層溫度較低，分別約為82 ℃ 和72 ℃；中間各層溫度相接近，分布在90～100 ℃之間，其中第6導(dǎo)線層溫度最高約為100 ℃。埋入式光纖布拉格光柵溫度傳感器穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確度高、抗電磁干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)極端環(huán)境下對(duì)35 kV干式空心電抗器溫度的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定具有重大意義。

干式空心電抗器 光纖布拉格光柵 埋入式 溫度測(cè)量 在線監(jiān)測(cè)

0 引言

干式空心電抗器的電磁結(jié)構(gòu)較特殊，在設(shè)計(jì)制造及運(yùn)行維護(hù)方面都較復(fù)雜，是變電站中問題較多的設(shè)備。目前電力系統(tǒng)中，大多數(shù)110 kV及以上變電站均采用干式空心電抗器進(jìn)行補(bǔ)償，做到就地補(bǔ)償，就地平衡，以保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。近年來，隨著35 kV并聯(lián)干式空心電抗器應(yīng)用的增加，其正常運(yùn)行中燒損事故頻繁發(fā)生，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來許多問題。干式空心電抗器運(yùn)行故障的原因[2]很復(fù)雜，其中干式空心電抗器的溫度過高會(huì)對(duì)電抗器的正常運(yùn)行產(chǎn)生重要影響[3，4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)干式空心電抗器溫度的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究不夠深入，研究成果也十分有限?？紤]到干式空心電抗器的特殊結(jié)構(gòu)和高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的極端環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)電抗器的溫度監(jiān)測(cè)十分困難。一方面，要求傳感器不能影響電抗器的正常工作，尤其傳感器中不能含有金屬結(jié)構(gòu)，且抗電磁干擾[5]；另一方面，干式空心電抗器各導(dǎo)線層間的縫隙較小，要求傳感器的體積不能過大；此外，需要提供一個(gè)合理的傳感器安裝方式，保證傳感器的正常穩(wěn)定，且安裝位置應(yīng)盡可能地靠近導(dǎo)線層。光纖絕緣性好、柔軟、徑細(xì)且抗電磁場(chǎng)干擾，為集高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)于一體的電力設(shè)備提供了一種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[6，7]。采用埋入式安裝方法，將傳感器緊貼在導(dǎo)線層外包封表面，使得所測(cè)溫度值更接近導(dǎo)線的溫度。在采用埋入式光纖布拉格光柵[8，9]測(cè)溫技術(shù)對(duì)干式空心電抗器的溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需考慮光纖Bragg光柵溫度傳感器的結(jié)構(gòu)及安全問題。

本文設(shè)計(jì)并研制出一種用于測(cè)量干式空心電抗器溫度的光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器，并對(duì)其提出一種安全有效的埋入方法。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、抗電磁干擾、安全可靠、安裝方便。將傳感器埋入在導(dǎo)線層外包封外表面可很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)干式空心電抗器溫度的測(cè)量，為實(shí)時(shí)反映電抗器的運(yùn)行及安全狀況提供了一個(gè)重要依據(jù)。

1 傳感器結(jié)構(gòu)和原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，需考慮干式空心電抗器的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境。環(huán)氧樹脂型干式空心電抗器采用多層圓筒式同軸繞組并聯(lián)結(jié)構(gòu)[10，11]，每個(gè)繞組由小截面鋁導(dǎo)線多股平行繞制，每根導(dǎo)線包有聚酯薄膜或玻璃絲作匝絕緣；干式空心電抗器各導(dǎo)線層之間的縫隙很小且由通風(fēng)條隔開，相鄰兩根通風(fēng)條之間的通風(fēng)道不足15 cm；干式空心電抗器工作時(shí)處于高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中。所以，一方面要求傳感器結(jié)構(gòu)需簡(jiǎn)單、體積小、方便安裝；另一方面要求整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)中不含有任何金屬材料，不能影響干式空心電抗器的正常工作且不受電磁干擾影響。本文兼顧以上兩方面的測(cè)量要求，研制出的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sensor

如圖1所示，傳感器主要由聚四氟乙烯板、光纖Bragg光柵、光纖、聚四氟乙烯套管組成。其中FBG尾部連接有光纖，引出的光纖從聚四氟乙烯套管中穿出，并用環(huán)氧樹脂膠粘附固定，起保護(hù)光纖的作用；聚四氟乙烯板左端中間有一個(gè)矩形缺口，缺口處鉆有適當(dāng)內(nèi)徑和深度的橫向圓孔，用于植埋FBG，F(xiàn)BG在圓孔中處于懸空狀態(tài)；植埋后用聚四氟乙烯材料填充在矩形缺口處，與聚四氟乙烯板一體封裝成矩形結(jié)構(gòu)。由于敏感元件FBG封裝于聚四氟乙烯板中間的圓孔內(nèi)處于懸空狀態(tài)，光纖傳感部分成為懸臂梁結(jié)構(gòu)，不施加外力，從而不存在應(yīng)力應(yīng)變，因此，該FBG的中心波長(zhǎng)移位只與溫度變化有關(guān)。這里當(dāng)被測(cè)環(huán)境的溫度發(fā)生改變時(shí)，會(huì)引起FBG的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，波長(zhǎng)移位與被測(cè)環(huán)境溫度變化呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)環(huán)境溫度的測(cè)量。

1.2 傳感原理

由傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，該傳感器FBG的中心波長(zhǎng)移位只與溫度變化有關(guān)，不受外加應(yīng)力應(yīng)變影響。下面對(duì)溫度變化值ΔT與FBG中心波長(zhǎng)漂移量ΔλB的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。

光纖光柵傳感特性為

λB=2neffΛ

(1)

FBG的布拉格波長(zhǎng)隨有效折射率neff和柵距Λ的改變而改變，因此Bragg波長(zhǎng)對(duì)于外界應(yīng)力應(yīng)變、熱負(fù)荷等極為敏感。

當(dāng)無外加應(yīng)力和溫度變化ΔT時(shí)，由熱膨脹效應(yīng)引起的FBG周期的變化ΔλB為

ΔλB=αλBΔT

(2)

式中，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)。

由熱光效應(yīng)引起的有效折射率的變化Δneff為

Δneff=ζneffΔT

(3)

式中，ζ為光纖的熱光系數(shù)，表示折射率隨溫度的變化率。

由式(1)～式(3)得，在消除外加應(yīng)力應(yīng)變的作用下，光纖Bragg光柵溫度傳感器布拉格波長(zhǎng)與溫度變化的關(guān)系為

ΔλB/λB=(α+ζ)ΔT

(4)

所以

ΔλB=KTΔT

(5)

式中，KT為FBG的溫度系數(shù)。對(duì)熔石英光纖來說，一般α=0.55×10-6/℃，ζ=6.67×10-6/℃。

式(5)表明，在消除外加應(yīng)力應(yīng)變作用后，光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)移位與溫度的變化呈線性關(guān)系。將該溫度傳感器埋在干式空心電抗器的測(cè)溫位置，在運(yùn)行狀態(tài)下測(cè)得FBG的波長(zhǎng)移位，乘以特定的系數(shù)換算成溫度變化量，再加上初始溫度值即為測(cè)溫點(diǎn)的溫度。由此來實(shí)現(xiàn)干式空心電抗器溫度的測(cè)量。

2 傳感器的埋入

溫度傳感器的安裝植埋需要與干式空心電抗器的加工制作同時(shí)進(jìn)行。選取測(cè)溫位置時(shí)需要考慮測(cè)溫準(zhǔn)確性與操作可行性兩方面的問題：測(cè)溫位置太靠近電抗器上沿時(shí)，會(huì)引起所測(cè)溫度低于導(dǎo)線層實(shí)際溫度；測(cè)溫位置過于靠近電抗器中間位置時(shí)，則不便于安裝且存留通風(fēng)道內(nèi)的光纖過長(zhǎng)易損壞。綜合上述兩方面的問題，將傳感器的埋入點(diǎn)選在距離干式空心電抗器上沿約40 cm的位置。

本次實(shí)驗(yàn)的35 kV干式空心電抗器共有11層導(dǎo)線，選取1層、3層、5層、6層、7層、9層及11層進(jìn)行測(cè)溫。圖2為傳感器埋入示意圖，圖3為傳感器埋入實(shí)物圖。在需要測(cè)溫的導(dǎo)線層外包封層完成后，借助灰色絕緣膠和網(wǎng)格布等材料將溫度傳感器埋在選好的測(cè)溫位置，具體埋入步驟如下：

1)在導(dǎo)線層外包封層完成后，在浸膠玻璃絲帶外表面相鄰的兩根通風(fēng)條之間的通風(fēng)道內(nèi)，從外包封上沿自上而下鋪設(shè)白色網(wǎng)格布(150 mm×450 mm)。要求網(wǎng)格布緊貼包封層外表面，且網(wǎng)格布中間位置垂直分布在相鄰兩根通風(fēng)條之間。

2)在網(wǎng)格布距下沿50 mm處，自下向上均勻涂抹灰色絕緣膠至網(wǎng)格布上端，涂層厚度約5 mm，面積約50 mm×350 mm。

3)傳感器浸膠(環(huán)氧樹脂)后，在距網(wǎng)格布下端100 mm區(qū)域中部沿軸向布設(shè)傳感器。傳感器向下，在其鄰域再覆蓋一層環(huán)氧樹脂膠，保證傳感器與底層緊密粘貼，連接光纖粘貼在灰色絕緣膠上并從電抗器上沿引出。要求傳感器及引出的光纖均在相鄰兩根通風(fēng)條之間的通風(fēng)道內(nèi)。

4)傳感器布設(shè)完畢后，調(diào)整連接光纖使其不可過于繃直。剪取與底層網(wǎng)格布同等大小的網(wǎng)格布(150 mm×450 mm)覆蓋在傳感器及引出光纖表面，與底層網(wǎng)格布重合，并用手掌輕壓網(wǎng)格布使其與下層完全粘合。

5)在放置下層通風(fēng)條時(shí)，保持埋入的傳感器在相鄰兩根通風(fēng)條之間，避免因擠壓使傳感器及連接光纖損壞。

6)傳感器埋入結(jié)束后，將電抗器放進(jìn)干燥室進(jìn)行固化。

圖2 傳感器埋入示意圖Fig.2 Schematic diagram of embedded sensor

圖3 傳感器埋入實(shí)物圖Fig.3 Embedded sensors physical map

3 溫升實(shí)驗(yàn)

電抗器的溫升測(cè)試[12]是指在額定工作的電壓和電流情況下進(jìn)行的電抗器升溫實(shí)驗(yàn)，溫升就等于實(shí)際測(cè)試的溫度減去室溫。干式空心電抗器在固化完成后進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)各導(dǎo)線層溫度變化。如圖4和圖5所示，將埋入的傳感器引出光纖連接跳線后接到光纖光柵解調(diào)儀上，從電腦上監(jiān)測(cè)傳感器FBG中心波長(zhǎng)的變化。溫升實(shí)驗(yàn)過程中給干式空心電抗器施加電壓平均值為23.83 kV，室內(nèi)溫度為27 ℃。早上8∶30～9∶00進(jìn)行相關(guān)調(diào)試工作，在此過程中干式空心電抗器已有一定程度的升溫，9∶00正式開始記錄時(shí)間和波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，并將各導(dǎo)線層所測(cè)到的波長(zhǎng)換算成溫度值。

圖4 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of experiments monitoring

圖5 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)實(shí)物圖Fig.5 Experiments monitoring map

實(shí)驗(yàn)得出了在溫升實(shí)驗(yàn)過程中35 kV干式空心電抗器各導(dǎo)線層的溫度變化曲線圖。圖6a為第1層、第3層及第5層的溫度變化圖，圖6b為第6層、第7層、第9層及第11層的溫度變化圖。如圖所示，在施加平均電壓約為23.83 kV的條件下，進(jìn)行35 kV干式空心電抗器的溫升實(shí)驗(yàn)，各導(dǎo)線層溫度需要約5 h達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且各導(dǎo)線層穩(wěn)定溫度值不同。加壓5 h后各導(dǎo)線層溫度值趨于穩(wěn)定，變化幅度很小，取加壓7 h所測(cè)得溫度值進(jìn)行比較，如表1所示。

圖6 各導(dǎo)線層溫度變化圖Fig.6 Each conductor layer temperature change map

由表1中的數(shù)據(jù)可知，各導(dǎo)線層溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，所測(cè)結(jié)果顯示：第1層(最內(nèi)層)與第11層(最外層)的溫度較低，且最內(nèi)層溫度比最外層高約10 ℃；中間各導(dǎo)線層溫度分布在90～100 ℃之間，溫升值分布在65～75 ℃之間，其中第6層溫度最高約為

表1 各導(dǎo)線層穩(wěn)定溫度比較表Tab.1 Compare the temperature stability of the lead layer

100 ℃，溫度升高約73 ℃。分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可知，由于干式空心電抗器結(jié)構(gòu)類似于空心圓柱體，內(nèi)徑約為2 m，各導(dǎo)線層之間的間距很小，約為5 cm，因此造成了各導(dǎo)線層散熱狀況的不同。最內(nèi)層與最外層表面空氣流動(dòng)性較好，散熱較充分，又因?yàn)樽顑?nèi)層埋入的溫度傳感器在導(dǎo)線層外包封表面靠近第2層，而最外層傳感器埋入的位置處于整個(gè)干式空心電抗器的外表面，所以最內(nèi)層的溫度高于最外層。同時(shí)中間各導(dǎo)線層越靠近中間位置，散熱狀況越差，且受相鄰導(dǎo)線層溫度的影響，靠近中間位置的導(dǎo)線層溫度較高。

實(shí)驗(yàn)證明了光纖布拉格光柵用于35 kV干式空心電抗器測(cè)溫的可行性。測(cè)試結(jié)果給出了電抗器各導(dǎo)線層溫升的增長(zhǎng)趨勢(shì)，得出了達(dá)到穩(wěn)定溫度所需要的時(shí)間及各導(dǎo)線層穩(wěn)定溫度的范圍。對(duì)比各導(dǎo)線層穩(wěn)定溫度值可知，靠近中間位置的導(dǎo)線層溫度較高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的潛在危險(xiǎn)性較高。在線監(jiān)測(cè)時(shí)，通過對(duì)比穩(wěn)定狀態(tài)下溫度的變化，來評(píng)判干式空心電抗器的安全與穩(wěn)定狀況，溫度超出承受范圍將發(fā)出預(yù)警信號(hào)，由此保障電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文根據(jù)35 kV干式空心電抗器結(jié)構(gòu)和測(cè)溫特點(diǎn)，研制了一種具有可埋入式的光纖布拉格光柵溫度傳感器。提出了一種將傳感器植埋在干式空心電抗器導(dǎo)線外包封層表面的埋入方法。監(jiān)測(cè)時(shí)，通過對(duì)比穩(wěn)定狀態(tài)下溫度的變化，評(píng)判干式空心電抗器的安全與穩(wěn)定。溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)BG溫度傳感器安全穩(wěn)定、線性度較好，在施加平均電壓約為23.83 kV的條件下，各導(dǎo)線層溫度需要約5 h達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各導(dǎo)線層穩(wěn)定溫度值不同，最內(nèi)層與最外層溫度較低，中間各層溫度較高，穩(wěn)定后溫度升高65～75 ℃。由此可知，中間各導(dǎo)線層安全隱患較大。綜上，埋入式FBG溫度傳感器能夠克服干式空心電抗器高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的極端環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電抗器各導(dǎo)線層溫度的在線監(jiān)測(cè)，在電力設(shè)備安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。

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The Study on the Temperature Measurement for the 35 kV Dry-type Air-core Reactor with the Embedded Optical Fiber Bragg Grating

ZhouYanhui1ZhaoZhengang1LiYingna1ZhangChangsheng1XieTao1CuiZhigang2WangKe2TanXiangyu2LiChuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China 2.Yunnan Power Grid Corporation EPRI Kunming 650217 China)

High temperature seriously threatens the security and the stability of the dry-type air-core reactor operation.In this paper，concerning its extreme high voltage and strong magnetic field environment，the temperature monitoring for the 35 kV dry-type air-core reactor under the working condition using embedded (fiber Bragg grating) FBG is implemented.An optical FBG temperature sensor with the characteristics of simple structure，small volume，and electromagnetic interference resistance is developed.The sensor is then buried in the lead sealing surface casing between two adjacent ventilation bars.The distance to the top of the reactor is about 40 cm.The temperature experimental results show that，after reaching steady state，the temperature of the inner conductor layer and the outer conductor layer are relatively low，about 82 ℃ and 72 ℃ respectively，and the temperatures in the middle are distributed between 90 ℃ and 100 ℃.The highest temperature of the conductor layer 6 is about 100 ℃.The designed embedded optical FBG temperature sensor is stable and reliable，with high precision and electromagnetic interference resistance.It can realize the on-line temperature monitoring in the extreme environment for 35 kV dry-type air-core reactors，and is vital to maintain the security and stability of the power grid.

Dry-type air-core reactor，optical fiber Bragg grating，embedded type，temperature measurement，on-line monitoring

國(guó)家自然科學(xué)基金(KKGD201203004)，云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2013FZ021)資助項(xiàng)目。

2014-11-24 改稿日期2014-12-30

TP206+.1

周延輝 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楣饫w傳感器的設(shè)計(jì)與研究。

趙振剛 男，1981年生，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦蛡鞲衅鞯难芯颗c應(yīng)用。