高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭溫度監測研究
文章出處:常州地創(chuàng )
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次發(fā)表時(shí)間:2015-05-19 20:12
1 引言
高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭的溫度監測一直是電力工業(yè)安全運行的重大課題之一,但是由于觸頭處在強電磁場(chǎng)、高電壓環(huán)境中,所以目前的監測方法都是圍繞何實(shí)現系統的抗強電磁場(chǎng)干擾和高電壓的隔離問(wèn)題,主要方法有感溫紙測溫、紅外溫度測量[1-2]、F-P 光學(xué)式測量[3]、感應竊電方式測量[4]、光纖傳輸方式和紅外無(wú)線(xiàn)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(jìn)行測量和傳輸,具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場(chǎng)干擾和良好的絕緣性能等優(yōu)點(diǎn),因此非常適合高壓開(kāi)關(guān)柜的觸頭溫度測量環(huán)境[7-10]?;谝陨蟽?yōu)點(diǎn),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(shí)采用合理的安裝技術(shù)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(shí)現溫度的測量,又能實(shí)現應變的測量,這兩個(gè)物理量都能引起光纖光柵布拉格波長(cháng)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(chǎng)變化時(shí),可推導出溫度對布拉格波長(cháng)變化的影響為[12]
高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭溫度監測研究如圖
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(huì )改變光柵的柵格周期,彈光效應會(huì )改變光纖的有效折射率,其傳感特性可以表示為[13]
高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭溫度監測研究如圖
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(kāi)關(guān)柜隔離觸頭實(shí)行溫度測量時(shí),就要想辦法屏蔽由于開(kāi)關(guān)柜振動(dòng)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(kāi)關(guān)柜的斷路器分為移動(dòng)小車(chē)和開(kāi)關(guān)柜兩部分,高壓開(kāi)關(guān)柜的觸頭共有六個(gè),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(gè)觸頭的溫度同時(shí)進(jìn)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(shí)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(guò)程中產(chǎn)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(guò)把光纖光柵溫度傳感器單端固定在靜觸頭上,來(lái)屏蔽觸頭在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的應變。另外,為了保證光纖光柵溫度傳感器對觸頭各點(diǎn)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(gè)靜觸頭的安裝示意圖。當動(dòng)觸頭與靜觸頭在分、合時(shí),在靜觸頭的圓周位置產(chǎn)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(dòng)引起的應變交叉敏感影響。
高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭溫度監測研究如圖
3.2 光路復用方案
六個(gè)光纖光柵溫度傳感器的同時(shí)測量就涉及到光路的復用問(wèn)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(shí)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(shí)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(gè)傳感器串連在一根光纖上,在其中一個(gè)傳感器損壞時(shí)會(huì )影響其它傳感器信號的傳輸;同時(shí)在傳感器工作波長(cháng)的選擇上又采用了波分復用方式,用來(lái)提高系統的測量速度,即在波長(cháng)解調時(shí)采用一個(gè)掃描周期可以實(shí)現六個(gè)傳感器的同時(shí)測量。
高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭溫度監測研究如圖
在圖2 中,A、B、C三相的六個(gè)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(cháng)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(cháng)距離的光纖傳輸來(lái)實(shí)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(cháng)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(gè)3dB耦合器組合而成的1´8耦合器;波長(cháng)解調器為采用壓電陶瓷驅動(dòng)標準具實(shí)現波長(cháng)掃描,其工作波長(cháng)范圍為1548~1558nm,覆蓋6 個(gè)傳感器在0~110℃溫度變化時(shí)的所有波長(cháng)帶;控制器在數據處理器的控制下實(shí)現波長(cháng)解調器的掃描。
3.3 觸頭溫度模型
高壓開(kāi)關(guān)柜在運行時(shí),觸頭、母線(xiàn)、電流互感器、柜體等構成了多個(gè)熱源,高壓開(kāi)關(guān)柜及
標簽:高壓開(kāi)關(guān)柜,隔離觸頭,光纖光柵,交叉敏感,溫度傳感器,
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