第一篇：對使用布拉格光纖光柵傳感器的電力變壓器的內(nèi)部溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究

對使用布拉格光纖光柵傳感器的電力變壓器的內(nèi)部溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘要

溫度的空間分布的精確信息對調(diào)查分析電力變壓器和評估它的壽命是重要的，因為電力系統(tǒng)故障會導(dǎo)致巨大的有形資產(chǎn)的損失和社會損失。

已經(jīng)被研究了近十年的布拉格光纖光柵傳感器對于上述目的應(yīng)用可以是非常有效的。因為它們不受電磁干擾，并且可以高度的多路復(fù)用，這使得有效的準(zhǔn)分布式溫度能傳感到數(shù)萬公里的范圍。

我們提出了一種一組超過4個傳感器光柵的光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)。溫度引起的布拉格波長的變化是通過掃描可調(diào)波長的濾波器來準(zhǔn)確的監(jiān)控的。溫度穩(wěn)定的參考光柵和高斯曲線擬合算法的微分測量已經(jīng)被用來提高計量精度，獲得了~0.6℃的溫度分辨率，線性誤差小于0.4%。介紹

電力系統(tǒng)，如發(fā)電機(jī)，GIS，傳輸電纜等，就它們的絕緣類的特性而言，應(yīng)當(dāng)在操作時明顯低于它們的極限溫度。為了保護(hù)它們免受由于過熱而引起的異常磨損故障，一個可靠的分布式溫度監(jiān)控是非常重要的，因為電力系統(tǒng)的故障將導(dǎo)致電力行業(yè)巨大的利潤損失。然而，由于在正常操作下，高電壓通常超過幾萬伏，直接測量的熱點(diǎn)溫度不可能與常規(guī)的傳感器一樣。此外，嚴(yán)格的物理尺度和嚴(yán)酷的安裝環(huán)境使的操作龐大的常規(guī)傳感器更加困難。光纖光柵傳感器看上去則十分適合這樣的應(yīng)用。自從第一次觀察到光敏性的纖維，F(xiàn)BGs的使用在通信和傳感的應(yīng)用在過去的20年中，得到了集中的研究，因為它有許多重要的優(yōu)勢。首先，F(xiàn)BG只反射了布拉格波長，轉(zhuǎn)換感應(yīng)到的物理量來移動反射的布拉格波長。由于波長編碼的這一特點(diǎn)，感知的信息獨(dú)立于源電力波動、總的發(fā)光水平、連接纖維和耦合器的損失以及其他環(huán)境的噪聲來源。其次，F(xiàn)BGs可以很容易的在連續(xù)的方式下多路復(fù)用，允許它們中的許多使用單一纖維，這使得準(zhǔn)分布式傳感有效。此外，反射的布拉格波長的移動顯示了對光纖光柵性質(zhì)改變的線性響應(yīng)，這意味著任何應(yīng)用于光柵的外部物理量，如應(yīng)變、壓力、溫度或振動，能夠從測量的布拉格波長的移動中恢復(fù)。由于這些特點(diǎn)，F(xiàn)BGs作為對多種感應(yīng)應(yīng)用的光學(xué)傳感器，一直在被集中的研究著，它可以用于民用建筑的健康監(jiān)測、復(fù)合材料的無損檢測，智能結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)的應(yīng)變、壓力和溫度的傳感。圖1是FBG溫度傳感器系統(tǒng)構(gòu)造的實驗裝置。一個光譜范圍為1530nm~1610nm的ASE寬帶元被用來照亮光纖光柵傳感器陣列，它是由名義中心波長為152.09~1558.96nm的10個傳感器光柵組成。一個擁有4GHz寬帶，4000 nominal finesse 和 80nm的FSR 的MEMS FP濾波器被用作波長掃描的濾波器。反射的燈光從FBGs通過FP濾波器，這個濾波器的通頻帶是由一個坡道信號調(diào)制的。然后，經(jīng)過了FP濾波器之后，燈光被檢測到，把波長域配置文件轉(zhuǎn)換為時間域配置的文件?，F(xiàn)在，布拉格波長的變化是通過定位在PD信號的峰值來測量的。

圖2顯示了PD信號峰值，對應(yīng)了布拉格波長在12個時態(tài)的分布。在兩個峰值的結(jié)尾是參考光柵信號（RG）和其他傳感光柵信號（SG）。我們使用兩個參考光柵信號（RGs）來抑制可能的非線性作用的FP濾波器產(chǎn)生的錯誤。光柵信號（SGs）波長變動的計算是相對于在每個掃描周期內(nèi)，2個參考光柵信號的波長區(qū)間來衡量的。圖3顯示了在8個小時內(nèi)，在一定的溫度下，3個光柵傳感器的測試結(jié)果。在測量期間，整體10個光柵的隨機(jī)游走的測量值小于0.6℃

正如早起提到的，溫度測量的準(zhǔn)確性依賴于峰值位置的精度。由于一些原因，如作用于傳感器光柵的應(yīng)變梯度和不規(guī)則應(yīng)力分布，光柵傳感器的反射光譜可能會被扭曲，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的峰值位置。為了緩解這個問題，如圖4所示，我們將高斯線性擬合的算法運(yùn)用到時間響應(yīng)的特性上。光纖光柵反射峰被認(rèn)為是高斯形狀，當(dāng)高斯曲線與時態(tài)峰之間的均方差（MSE）最小時，最優(yōu)擬合曲線就確定了。這也增強(qiáng)了測量的分辨率，因為與量化誤差相比，高斯峰的中心位置可以在更小的規(guī)模上確定。根據(jù)溫度變化在25℃~70攝氏度之間，我們測量了傳感光柵信號的波長的改變，結(jié)果如圖6所示。熱電偶用作參考的溫度傳感器。光纖光柵傳感器與參考的溫度之間的線性誤差計算小于0.4% 結(jié)果與討論

在實驗室，開發(fā)的光纖光柵傳感器系統(tǒng)運(yùn)用20kVA充油的極變壓器來模擬電源變壓器。極變壓器的溫度可以通過過載試驗電源來控制。除了4個FBG傳感器，相同號碼的常規(guī)熱電偶被安裝在毗鄰相應(yīng)FBG傳感器的點(diǎn)上。

圖7 的（a）和（b）分別是通過FBG傳感器和熱電偶傳感器的極變壓器測量溫度的例子。它表明來自FBG傳感器的數(shù)據(jù)比來自熱電偶傳感器的隨機(jī)噪聲小，F(xiàn)BG傳感器更不易受噪聲的影響，如開關(guān)或功率半導(dǎo)體的操作。

圖8顯示了10個光纖光柵傳感器善附著3000kVA模變壓器，以及2個月的操作中連續(xù)監(jiān)測的溫度分布。在這期間，所有的傳感器成功地測量了溫度。表8（a）是10個監(jiān)測和記錄的結(jié)果之一。

在這一階段，所有的傳感器成功的測量了溫度，表9（a）是10個監(jiān)測和記錄的結(jié)果之一。從5月到7月進(jìn)行了測量。作為天的函數(shù)，溫度曲線是上升。在監(jiān)測期間，日常電力的消費(fèi)是穩(wěn)定，那么測量的溫度的上升可能是由于環(huán)境溫度的上升。圖9是從韓國氣象局獲得在監(jiān)測期間環(huán)境溫度的平均值，它與監(jiān)測的數(shù)據(jù)曲線顯示了一致的趨勢。結(jié)論

為了在電力變壓器上可靠的監(jiān)測溫度，一個光纖光柵陣列被提出并得到開發(fā)。溫度引起的布拉格波長的變化是通過波長掃描的FP濾波器檢測的，兩個參考光柵是用來彌補(bǔ)任何非線性作用的波長濾波器。通過實驗可以看到，解調(diào)方案顯示隨機(jī)游走小于0.6℃，線性誤差小于0.4% 在實驗室，我們使用光纖光柵傳感器和常規(guī)的熱電偶傳感器來監(jiān)控20kVA充油的極變壓器的溫度。結(jié)果顯示FBG傳感器能夠在更少的隨機(jī)噪聲和更少的由于切換或半導(dǎo)體操作而產(chǎn)生的電噪聲的影響的情況下測量溫度的。

開發(fā)的FBG傳感器系統(tǒng)已經(jīng)被運(yùn)用到3000kVA的模變壓器上，這一應(yīng)用在實際分布網(wǎng)絡(luò)中操作了兩個月。FBG傳感器的性能已經(jīng)被證明在實際規(guī)模應(yīng)用時是足夠的穩(wěn)定的。