1 引言
高壓開關柜隔離觸頭的溫度監測一直是電力工業安全運行的重大課題之一，但是由于觸頭處在強電磁場、高電壓環境中，所以目前的監測方法都是圍繞何實現系統的抗強電磁場干擾和高電壓的隔離問題，主要方法有感溫紙測溫、紅外溫度測量[1-2]、F-P 光學式測量[3]、感應竊電方式測量[4]、光纖傳輸方式和紅外無線傳輸[5-6]等。而光纖光柵傳感器集測量和傳輸于一體，采用光波的形式進行測量和傳輸，具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場干擾和良好的絕緣性能等優點，因此非常適合高壓開關柜的觸頭溫度測量環境[7-10]。基于以上優點，本文提出了一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測量方案，同時采用合理的安裝技術解決了應變交叉敏感的影響。
2 光纖光柵傳感器原理
光纖光柵傳感器既能實現溫度的測量，又能實現應變的測量，這兩個物理量都能引起光纖光柵布拉格波長的變化[11]。
光纖光柵的溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應和熱膨脹效應引起的，熱光效應引起光纖光柵的有效折射率的變化，而熱膨脹效應引起光柵的柵格周期變化。當光纖光柵傳感器所處的溫度場變化時，可推導出溫度對布拉格波長變化的影響為[12]
式中 a 為光纖的熱膨脹系數，主要引起柵格周期的變化，取5.5´10-7；x 為光纖的熱光系數，主要引起光纖的折射率變化，取5.5´10-6。光纖光柵傳感器的應變特性是彈光效應和彈性效應共同作用的結果，彈性效應會改變光柵的柵格周期，彈光效應會改變光纖的有效折射率，其傳感特性可以表示為[13]
式中 Pe為光纖的有效彈性系數，Pe =0.22。正因為光纖光柵傳感器既能測量溫度又能測量應變，所以在對高壓開關柜隔離觸頭實行溫度測量時，就要想辦法屏蔽由于開關柜振動引起的應變對溫度測量精度的影響，這就是光纖光柵傳感器的應變交叉敏感。
3 觸頭溫度測量系統方案
3.1 光纖光柵傳感器的安裝
高壓開關柜的斷路器分為移動小車和開關柜兩部分，高壓開關柜的觸頭共有六個，分別分布在上側和下側的A、B、C 三相上，那么為了保證系統的可靠性，必須對六個觸頭的溫度同時進行監測。如式(1)、(2)所示，由于光纖光柵傳感器對溫度、應變同時敏感，為了保證溫度測量精度，必須屏蔽應變的交叉敏感影響，即斷路器的分、合過程中產生的任何應變都不應傳遞給光纖光柵傳感器。本系統是通過把光纖光柵溫度傳感器單端固定在靜觸頭上，來屏蔽觸頭在碰撞過程中產生的應變。另外，為了保證光纖光柵溫度傳感器對觸頭各點溫度測量的均勻性，系統充分利用靜觸頭的中間空位，把溫度傳感器固定在靜觸頭的中間位置，圖1是傳感器在單個靜觸頭的安裝示意圖。當動觸頭與靜觸頭在分、合時，在靜觸頭的圓周位置產生應變，而在其中心不存在應變，那么應變也就傳遞不到光纖光柵傳感器了。這種安裝方案既保證了溫度的測量精度又屏蔽了由于振動引起的應變交叉敏感影響。
3.2 光路復用方案
六個光纖光柵溫度傳感器的同時測量就涉及到光路的復用問題，光纖光柵傳感器的復用可以采用波分復用（WDM）、空分復用（SDM）或時分復用（TDM）方式，本系統是采用空分復用和波分復用方法。如圖2 所示，用1´8 耦合器實現對傳感器的空分復用，這樣可以避免采用單一波分復用的弊端，即多個傳感器串連在一根光纖上，在其中一個傳感器損壞時會影響其它傳感器信號的傳輸；同時在傳感器工作波長的選擇上又采用了波分復用方式，用來提高系統的測量速度，即在波長解調時采用一個掃描周期可以實現六個傳感器的同時測量。
在圖2 中，A、B、C三相的六個光纖光柵溫度傳感器處于高電壓側，分別安裝在靜觸頭孔徑內，而耦合器、波長解調器、控制器以及數據處理電路都處于地電位側，安裝在控制室內，采用長距離的光纖傳輸來實現高電壓側絕緣隔離。圖中的A1、B1、C1，A2、B2、C2是本文設計的光纖光柵溫度傳感器，分別分布在隔離觸頭的上側和下側A、B、C 三相上，在常溫下傳感器的波長分別為1548.5nm、1550.1nm、1551.6nm、1553.5nm、1555.5nm、1557.1nm，靈敏度為0.011nm/℃、0.013nm/℃、0.011nm/℃、0.010nm/℃、0.011nm/℃、0.012nm/℃，測量范圍為0~110℃；耦合器為
由7 個3dB耦合器組合而成的1´8耦合器；波長解調器為采用壓電陶瓷驅動標準具實現波長掃描，其工作波長范圍為1548~1558nm，覆蓋6 個傳感器在0~110℃溫度變化時的所有波長帶；控制器在數據處理器的控制下實現波長解調器的掃描。
3.3 觸頭溫度模型
高壓開關柜在運行時，觸頭、母線、電流互感器、柜體等構成了多個熱源，高壓開關柜及內部各部件又構成了復雜的熱阻網絡[14]。在此系統中，要通過理論推導出觸頭溫升與光纖光柵傳感器溫升間的數學關系是比較困難的，因此本文通過試驗方法建立了它們之間的數學模型。
溫升實驗是在10kV 高壓開關柜上進行的，實驗時三相觸頭接觸正常，工作額定電流為1kA，室溫為25℃。圖3 是上隔離觸頭B 相的溫升過程曲線，可以看出光纖光柵傳感器測量的溫升變化要比觸頭的實際溫升變化慢，但它們的變化趨勢是相同的，大約在3h 以后溫度場變化趨于穩定。測量溫度與實際溫度間的差值是由于傳感器采用非接觸方式測量溫度，它依靠靜觸頭的輻射來傳遞熱量。表1 是其溫升測量數據。
可以看出在開關柜觸頭接觸正常、溫度變化穩定后各個觸頭的實際溫升值DTC 與對應的傳感器溫升值DTS之間的比例關系都在1.43 附近，取其平均值作為試驗結果，可建立觸頭的實際溫度與傳感器的測量溫度間的數學關系式為
TC="K"(TS-T)+T (3)
式中 K="1".43；TS為光纖光柵溫度傳感器測量的溫度值；T為高壓開關柜環境溫度。
3.4 系統的抗電磁干擾性分析
為
了檢驗光纖光柵傳感系統的抗電磁干擾能力，在高壓開關柜滿負荷工作，并且傳感器測量趨于穩定的情況下，通過對開關柜采用突然掉電的方式來檢測溫度測量結果與電磁場的關系[15-16]，實現抗電磁干擾能力的實驗。圖4 是在觸頭溫升趨于穩定后，在試驗過程中安排了兩次停電并在一次側的B 相觸頭上測量的溫度數據，圖4(a)是電流的變化過程圖，圖4(b)是電流變化引起的觸頭溫度變化曲線。可見在母線失去電流的情況下，引起了觸頭溫度的下降，但在恢復送電后又很快開始上升。從曲線可以看出測量的觸頭溫度對突然的停電與送電做出了反應，但這種溫度的升降是漸變的而不是突變的，說明電磁場的存在對傳輸光纖以及光纖光柵溫度傳感器沒有影響。如果電磁場的存在使測溫系統顯示的溫度較實際溫度偏高或偏低，那么當開關柜母線中一旦失去電流，電磁場消失時，溫度顯示會立即跳變到“實際值”，但這種跳變現象在實際試驗中并未發生。因此說明光纖光柵觸頭測溫系統具有很強的抗電磁干擾能力。
4 實驗結果
本光纖光柵觸頭溫度測量系統在變電站10kV高壓開關柜上進行了成功試用，圖5 是在高壓開關柜工作在70%的額定負荷范圍時對一次側B相觸頭在24 小時的溫度監測記錄，它反應了全天觸頭溫度的變化過程。從圖中可以看出，從午夜0點到早晨6 點之間觸頭的溫度最低，這一方面是由于用電負荷較小，另一方面與氣溫較低有關；從早晨6 點開始隨著用電負荷的增大，觸頭的溫度也開始升高，到9點用電負荷趨于穩定，但由于氣溫的逐漸升高觸頭溫度也開始上升，到14 點時溫度達到最高；從14點到18點之間由于氣溫的降低，觸頭的溫度也逐漸變小；同時從18 點后，由于用電負荷的增大，觸頭溫度又開始上升，到22 點時達到最高；此后隨著用電負荷的減小，觸頭溫度也逐漸降低。通過對24小時觸頭溫度的記錄分析可以看出，光纖光柵觸頭溫度測量系統能夠正常工作，其記錄數據正確反應了觸頭溫度與開關柜的工作負荷和周圍空氣溫度之間的變化關系，說明了光纖光柵觸頭溫度測量系統的方案是可行的。
5 結論
本文利用光纖光柵傳感器的體積小、抗電磁干擾能力強、絕緣性好等優點，代替電子類傳感器實現了對高壓開關柜隔離觸頭的溫度監測，此方案不需要復雜的絕緣設計，因此具有簡單、可靠的優點。此方案中，解決了光纖光柵溫度傳感器的應變交叉敏感影響，在光路的復用上采用了空分復用加波分復用的方案，提高了系統的可靠性和實時性。此系統在10kV 高壓開關柜上進行了測試，系統能夠正常運行，說明本方案是可行的。