張操 彭志敏 魏逸飛 藏亮 徐昊源

摘 要：針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜溫度過(guò)熱問(wèn)題，提出使用光纖光柵溫度傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)基于相位掩模板技術(shù)研究光纖制備前載氫、制備時(shí)光纖兩端預(yù)拉力、制備后的退火工藝對(duì)光纖光柵傳感器的光譜特性參數(shù)的影響規(guī)律，并且開(kāi)展了制備后光纖光柵傳感器性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光纖光柵傳感器測(cè)溫具有較高的穩(wěn)定性和精確性，光纖光柵溫度傳感器為高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高壓開(kāi)關(guān)柜;光纖光柵;性能測(cè)試;溫度

Abstract：Aiming at the overheating problem of high-voltage switchgear，a real-time online monitoring method using fiber grating temperature sensor is proposed.Based on the phase mask technology，the hydrogen loading before fiber preparation，the pre-tension at both ends of the fiber during preparation，and the annealing process after preparation are used to study the effect of fiber grating sensor on the fiber grating sensor.The influence law of the spectral characteristic parameters，and the performance test of the fiber grating sensor after preparation has been carried out.The experiment verifies that the fiber grating sensor has high stability and accuracy in temperature measurement，which provides a theoretical basis for the fiber grating temperature sensor to monitor the temperature of the high-voltage switchgear.

Keywords：High voltage switch cabinet;fiber grating;performance test;temperature

1 概述

隨著智能電網(wǎng)、超高壓電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及電力設(shè)備數(shù)量的急劇增長(zhǎng)等因素，使得電力需求保持剛性增加，對(duì)火電機(jī)組的供電系統(tǒng)要求也在不斷提高。高壓開(kāi)關(guān)柜作為火電機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系電力生產(chǎn)安全。高壓開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行過(guò)程中，由于電氣設(shè)備故障等原因會(huì)引起開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[1-3]。據(jù)當(dāng)前情況來(lái)看，在實(shí)際工業(yè)當(dāng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜溫度能減少人工巡檢成本、降低人工誤判帶來(lái)的嚴(yán)重后果;由于開(kāi)關(guān)柜是將多個(gè)電氣設(shè)備集中在一起的組合設(shè)備，其內(nèi)部某些關(guān)鍵位置人工無(wú)法巡檢，且開(kāi)關(guān)柜處于高電壓，強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下，對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)能夠提前預(yù)估溫度，以免過(guò)高引起的災(zāi)害事故，保障生產(chǎn)安全[4]。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的溫度很有必要。

光纖光柵溫度傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、本質(zhì)安全、體積小、易組網(wǎng)、測(cè)量靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合電力開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境下溫度測(cè)量[5]。因此本文以光纖光柵溫度傳感器作為溫度感知探頭植入開(kāi)關(guān)設(shè)備中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜溫度，研究采用相位掩模板法刻寫光纖光柵溫度傳感器時(shí)的刻寫參數(shù)對(duì)光纖光柵傳感器的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)和分析

光柵刻寫過(guò)程中的一些制作工藝因素會(huì)影響光柵的光譜特性參數(shù)，通過(guò)搭建基于相位掩模板法的光纖光柵制備平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了載氫，光纖配重以及退火時(shí)間對(duì)光纖光柵光譜特性參數(shù)的影響規(guī)律。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示：

2.1 光柵制備工藝

2.1.1 載氫

光柵的刻寫是光致折射率變化的過(guò)程，普通摻鍺單模光纖的光敏性較低，紫外直接光照射光纖時(shí)，折射率調(diào)制深度到10-5量級(jí)時(shí)已接近飽和，刻寫相對(duì)困難。提高光纖光敏性的方法主要有：

（1）載氫。氫分子擴(kuò)散到纖芯內(nèi)部，當(dāng)光纖受到紫外曝光時(shí)，氫分子與鍺發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成O-H鍵，光照部分的相位空間發(fā)生永久性改變，其折射率增加，該方法應(yīng)用廣泛[6]。

（2）硼鍺摻雜。硼鍺共摻增加光纖光敏性是使用較多的方法之一，大量元素的摻雜能夠提高光纖對(duì)紫外光的吸收，導(dǎo)致纖芯內(nèi)部折射率發(fā)生改變[7]。

（3）氫氧焰處理。F.Bilodeau等人在高壓載氫的基礎(chǔ)上，采用氫氧燃燒火焰灼燒光纖接受紫外曝光的位置來(lái)加速氫在光纖中擴(kuò)散速度，溫度高達(dá)1700℃，其弊端是高溫可能導(dǎo)致光纖內(nèi)部的性能破壞，光柵使用有效性存在隱患[8]。

其中，載氫是易操作，成本低且較有效的增敏技術(shù)，對(duì)任何摻鍺光纖都適用。實(shí)驗(yàn)中在室溫（20℃～25℃）環(huán)境下將G652光纖放入高壓載氫罐中兩周，依次調(diào)整載氫罐壓力為5MPa、7MPa、10MPa、12MPa，載氫結(jié)束后，使用光柵刻寫系統(tǒng)對(duì)光纖進(jìn)行紫外曝光后檢測(cè)載氫效果，測(cè)得其反射率變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可以看出，載氫壓力越大，纖芯內(nèi)部含氫量越高刻寫時(shí)得到的光反射率越高。當(dāng)載氫壓力小于10MPa時(shí)，載氫兩周后的反射率低于85%，不符合光柵使用時(shí)的工程實(shí)際。當(dāng)大于10MPa時(shí)，載氫兩周后的反射率大于工程實(shí)際需求的85%，考慮安全和成本問(wèn)題，載氫時(shí)可選擇在室溫下（20℃～25℃）以壓力10MPa放置兩周。

2.1.2 預(yù)拉力

使用波長(zhǎng)為1540.732nm的G652單模光纖，在10MPa室溫下載氫14天制備載氫光纖，之后將光纖使用工具剝?nèi)ゼs15mm的涂覆層，放在光纖調(diào)整架上，用兩端的光纖夾具夾住，通過(guò)位移臺(tái)調(diào)整掩模板，保證光纖需平行于掩模板，并且掩模板位于裸纖的中央位置。在相位掩模板法的光柵刻寫工藝中，光纖兩端的預(yù)拉力影響光柵的折射率調(diào)制，設(shè)置激光器的光源脈沖評(píng)頻率為10Hz，調(diào)整光路使光斑的寬度為10mm。使光纖的一端連接光譜儀檢測(cè)光柵的中心波長(zhǎng)變化情況，其他條件不變，分別增加光纖兩端的配重5～75g，每次增加5g，得到光纖兩端預(yù)拉力對(duì)光柵中心波長(zhǎng)的影響規(guī)律如圖3所示：

2.1.3 退火

紫外光照射載氫光纖后，在光纖內(nèi)部生成一些不穩(wěn)定化學(xué)鍵以及殘留的未參與化學(xué)反應(yīng)而游離的氫分子，會(huì)影響光柵折射率調(diào)制深度，不利于光纖光柵傳感器的長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性。通過(guò)退火工藝對(duì)光柵熱處理，能夠較快清除光纖內(nèi)的不穩(wěn)定化學(xué)鍵以及游離的氫分子，使光纖光柵傳感器處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)波長(zhǎng)為1540.732nm的G652單模光纖照射成柵后分別在120℃、150℃、180℃、210℃、240℃下進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)，退火溫度和時(shí)間對(duì)光柵反射率的影響規(guī)律如表1所示：

由表1可知，溫度越高，反射率穩(wěn)定所需時(shí)間越短，但反射率下降越多，不利于光纖光柵的技術(shù)性能穩(wěn)定。綜合考慮光柵退火溫度應(yīng)選擇150℃，所需時(shí)間8小時(shí)。

2.2 光纖性能測(cè)試

2.2.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

選擇零度中心波長(zhǎng)為1536.723nm的光纖光柵溫度傳感器作為測(cè)試樣品，將光纖光柵溫度傳感器固定在恒溫裝置表面，開(kāi)展光纖光柵溫度傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。設(shè)置溫度范圍為30℃～100℃，間隔5℃，經(jīng)解調(diào)儀獲取波長(zhǎng)值在上位機(jī)軟件中顯示，將溫度與對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值記錄下來(lái)，并計(jì)算不同溫度下的光柵波長(zhǎng)與零度波長(zhǎng)之間的偏移量，得到的數(shù)據(jù)如表2所示，中心波長(zhǎng)偏移量和溫度的關(guān)系如圖4所示。

由表3可知30℃、60℃和90℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差在0.06℃左右，120℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差約為0.15℃，與此之前的溫度相比，其離散程度相對(duì)較大。

通過(guò)溫度梯度圖、示值誤差、標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)傳感器標(biāo)定的結(jié)果分析可得傳感器的測(cè)溫結(jié)果穩(wěn)定性好，精度高，滿足傳感器測(cè)溫的要求。

結(jié)語(yǔ)

本文采用相位掩模板法研究光柵刻寫前的載氫壓力以及光柵刻寫時(shí)光纖兩端預(yù)拉力、退火溫度和壓力對(duì)光柵寫制參數(shù)的影響規(guī)律，并測(cè)試刻寫的光柵性能，得出如下結(jié)論：

（1）在室溫（20℃～25℃）環(huán)境下，載氫壓力大于等于10MPa，時(shí)間兩周的光纖增敏工藝。

（2）光柵刻寫時(shí)，光纖兩端打的預(yù)拉力越大，刻寫速度越快，且預(yù)拉力越大，當(dāng)光纖恢復(fù)原狀時(shí)，折射率調(diào)制周期越小，導(dǎo)致中心波長(zhǎng)越小。因此刻寫的波長(zhǎng)偏小時(shí)，可以采用增加光纖兩端的預(yù)拉力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）光柵刻寫后通過(guò)退火可以較快使光纖光柵傳感處于穩(wěn)定狀態(tài)，退火時(shí)應(yīng)設(shè)置150℃，所需時(shí)間8小時(shí)。

（4）選取中心波長(zhǎng)為1536.723nm的傳感器作為測(cè)試樣本，對(duì)光纖光柵傳感進(jìn)行溫度標(biāo)定并對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行誤差分析。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出中心波長(zhǎng)1536.723nm的傳感器的中心波長(zhǎng)漂移量與溫度關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，擬合優(yōu)度R2=0.99969。測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中，測(cè)溫點(diǎn)示值誤差在1℃以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.15℃，表明光纖光柵溫度傳感器測(cè)溫具有較高的穩(wěn)定性和精確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱德亮，章家其，洪衛(wèi)華.高壓開(kāi)關(guān)柜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].通訊世界，2019，26（08）：325-326.

[2]楊慶江，劉曉亮，蘇漫綺，徐輯輝，張冬.高壓電氣節(jié)點(diǎn)溫度的預(yù)測(cè)模型[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，28（04）：405-409.

[3]鐘顯，胡洪武，劉芳，李付勤，陳敏.金屬封閉式開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱原因分析及對(duì)策探討[J].石河子科技，2019（04）：39-43.

[4]李晶，滿家健，周電波，等.金屬封閉高壓開(kāi)關(guān)柜手車觸頭溫度場(chǎng)仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓電器，2015，051（008）：74-79

[5]賈丹平，翟盼盼.基于熒光測(cè)溫的開(kāi)關(guān)柜觸頭無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8，87（05）：32-35.

[6]Xiang H，Jiang Y.Fiber Bragg grating inscription in multi-core photonic crystal fiber by femtosecond laser[J].Optik，2018，171：9-14.

[7]Jiang Y，Yuan Y，Xu J，et al.Phase-shifted fiber Bragg grating inscription by fusion splicing technique and femtosecond laser[J].Optics & Lasers in Engineering，2016，86：236-241.

[8]Gusarov A，Brichard B，Nikogosyan D N.Gamma-Radiation Effects on Bragg Gratings Written by Femtosecond UV Laser in Ge-Doped Fibers[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2010，57（4）：2024-2028.

[9]陳華.電力電纜光纖光柵測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)裝備，2019（10）：11-12.

作者簡(jiǎn)介：張操（1985— ），男，漢族，寧夏銀川人，本科，中級(jí)工程師，寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)備管理部部長(zhǎng)助理兼電氣室主任，研究方向：電氣設(shè)備檢修技術(shù)。

*通訊作者：彭志敏（1981— ），男，漢族，北京市人，博士，副教授，研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。