用于电力系统气体绝缘开关母线温度监测的光纤布喇格光栅在线监测系统及监测方法

摘要

本发明公开了用于电力系统气体绝缘开关母线温度监测的光纤布喇格光栅在线监测系统及监测方法，母线在被盆式绝缘子包覆的线段内开有一个凹槽，监测系统包括光纤布喇格光栅、波长解调仪器、波长解调模块、显示器以及凹槽，光纤布喇格光栅的栅区粘帖在凹槽内，光纤布喇格光栅的引出线与波长解调仪器相连接，波长解调仪器与波长解调模块相连接，光纤布喇格光栅用于直接感测气体绝缘开关的母线温度，并且向波长解调仪器传输与感测到的温度相对应的反射光谱，波长解调仪器接收该反射光谱，将其输送给波长解调模块，波长解调模块将波长信号解调为温度信号。该监测系统能定点测量，且抗电磁干扰、性能稳定。本发明同时公开其监测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统中气体绝缘开关母线温度的监测设备和方法，具体是指 用于电力系统气体绝缘开关母线温度监测的光纤布喇格光栅在线监测系统及监测 方法。

背景技术

气体绝缘开关(GIS)由于其相对较小的占地面积和不受环境影响的封闭性、 可靠性高、维护量少、不受无线电干扰和噪音干扰等优点，目前已在国内外输配 电系统中广泛应用。然而，由于制造、现场安装以及验收等各个环节质量控制不 严格，GIS母线触头因接触电阻增大产生过高的温升导致母线触头表面熔焊，熔焊 产生的金属微粒致使电场畸变.进而引发电弧，最终导致GIS触头烧毁造成短路 的事故时有发生。由于母线密封于GIS壳体内，维修成本高，周期长，所以上述 事故的发生严重威胁电力系统的安全与稳定运行。如果能够对GIS母线温度进行 在线监测，实时监控母线温度及其发展趋势，在母线过热时进行超温预警并组织 检修，将有利于降低GIS母线过热性故障的发生几率，对电力系统的安全运行具 有现实意义。

在线监测能够有效的监控GIS设备母线的温度及其变化发展趋势，以便提前 预警，提早检修，避免故障发生。因此针对GIS设备母线温度的监测日趋得到重 视。目前，GIS母线温度检测主要采用测量回路电阻法、局部放电在线监测法、红 外技术测温法以及光纤测温法等。测量回路电阻的方法不能进行带负荷检测，即 使发现回路电阻过大，同样存在不能判断单一或多个触头故障以及故障触头位置 等问题。局放在线监测的方法难以制定出行之有效的故障判据，而且过热与局放 的关系有待深入研究。因而，行业内主要采用红外技术测温法以及光纤光栅测温 法对电力设备进行温度监测。

红外技术测温法主要包括手持式红外热像仪法、红外辐射探测技术、红外热 诊断技术。其中，手持式红外热像仪法即定期采用手持式红外热像仪进行GIS巡 检测温，该法只能探测GIS外壳的温度，由于红外辐射在固体中穿透能力很低， 且SF6气体对红外辐射有很强的吸收作用，因此，无法准确实现GIS内部温度监 测，不能及时、准确地发现故障。

基于红外热像仪无法探测GIS内部温度的不足，红外辐射探测技术利用一种 红外温度传感器，采用在GIS设备内部开窗的方式，窗体采用红外透过性良好的 材料，实现了GIS设备内部母线温度的监测。目前虽然在特定条件下该技术能够 对GIS设备母线温度进行监测，但仍然存在理论研究不完善等的问题，且应用该 技术需要考虑多个方面的因素，如窗口介质的选择、环境温度、SF6气体的影响等， 使得该技术的应用复杂、不便。

红外热诊断技术是新近发展的一门设备故障诊断技术，首先利用红外成像仪 采集GIS设备外壳温度数据，然后根据设备的结构原理和运行状态建立相应的几 何、数学等模型，最后用适当的物理数学方法对结果进行分析以确诊设备热异常 发生的部位、性质以及严重程度。目前该技术在生产实践和科学研究中有些优势， 但该领域的基础理论比较落后且GIS实际运行环境复杂、影响因素较多，严重制 约了红外热诊断技术的发展，同时也使得该技术的应用成了一个复杂的过程。

光纤光栅测温技术成功解决了红外测温技术应用复杂、不便，环境影响因素 多的问题，其系统主要包括光纤传感器测量和波长解调两部分，根据入射波长和 反射波长的变化解调温度信号，具有抗电磁干扰能力强，测温灵敏度高，光纤尺 寸小巧可定点测量，不易受外界环境影响等的优点。

国内外许多学者对光纤光栅测温技术展开了研究，并将研究成果投入现场运 行，能够有效监测GIS设备温度。然而，目前的研究多是将光纤光栅安装于GIS 设备外壳或者外壳内部进行测温，不能测量GIS母线确切温度的问题仍未能解决。

发明内容

本发明的目的之一是提供用于电力系统气体绝缘开关母线温度监测的光纤布 喇格光栅在线监测系统，该监测系统能定点测量，测量结果良好，能够做到时时、 准确地在线监测气体绝缘开关的母线温度，且抗电磁干扰、性能稳定。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：用于电力系统气体绝缘开关 母线温度监测的光纤布喇格光栅在线监测系统，其特征在于：所述母线在与盆式 绝缘子相连接并且被盆式绝缘子包覆的线段内开有一个凹槽，所述的监测系统包 括光纤布喇格光栅、波长解调仪器、波长解调模块、显示器以及所述的凹槽，光 纤布喇格光栅的栅区粘帖在所述凹槽内，然后通过金属片盖住凹槽将凹槽密封， 光纤布喇格光栅的引出线穿过金属片、盆式绝缘子后最终从盆式绝缘子的法兰引 出，引出后与所述的波长解调仪器相连接，所述的波长解调仪器与波长解调模块 相连接，所述的光纤布喇格光栅用于直接感测气体绝缘开关的母线温度，并且向 波长解调仪器传输与感测到的温度相对应的反射光谱，所述波长解调仪器接收该 反射光谱，并且将接收的反射光谱输送给所述的波长解调模块，所述的波长解调 模块对接收到的反射光谱中的波长信号进行解调，解调为温度信号，并且通过显 示器显示出来，解调后的温度信号即为母线温度，从而在线显示气体绝缘开关的 母线温度。

本发明为了准确地测量到GIS母线的确切温度，在母线上开一个小尺寸凹槽， 将光纤布喇格光栅栅区粘帖于槽内，并用同样材质的金属片将槽密封，在该金属 片上留孔引出光纤布喇格光栅出线，再将该出线浇注于盆式绝缘子内，最终从盆 式绝缘子法兰中引出，将光纤布喇格光栅引出线接于波长解调仪器并连接电脑进 行解调，将波长信号解调为温度信号，由于光纤布喇格光栅的高灵敏度，即可准 确的测量出GIS母线温度。

本发明中，所述凹槽的底面为长方形的平面，光纤布喇格光栅的栅区粘帖在 所述底面上，凹槽中与底面的短边相连接的一个侧面为倾斜面，倾斜面与水平面 之间具有倾斜夹角α，凹槽的另外三个侧面均为与底面相垂直的竖直面。

所述底面的长宽尺寸为6cm×3cm，凹槽的深度为2cm。

所述倾斜夹角α为30°。

本发明中，所述的波长解调模块通过公式(1)对接收到的反射光谱中的波长 信号进行解调，

λ＝k1×T²+k2×T+k3    公式(1)

式中，λ表示波长，单位nm，

T表示母线温度，单位℃，

k1，k2，k3均为常数，取决于光纤布喇格光栅(FBG)温度标定结果。

作为优先实施方式，公式(1)采用如下公式：

λ＝1.007e-5×T2+9.128e-3×T+1549.6828

本发明的工作原理为：光纤布喇格光栅(FBG)粘贴于母线上，可以直接感 知母线温度。当母线温度变化时，光纤布喇格光栅的反射光谱会发生漂移，即光 纤布喇格光栅中心波长发生变化。将光纤布喇格光栅的引出线连接于波长解调仪， 波长解调仪将接收到的光纤布喇格光栅反射光进行解调，得出光纤布喇格光栅的 反射光谱信息，并经传输线连接到电脑所安装的波长解调模块，由波长解调模块 对解调得到的反射波长进行显示和存储。然后，采用公式(1)的温度和波长的函 数计算式来计算气体绝缘开关的母线温度。

本发明的目的之二是提供用于电力系统气体绝缘开关母线温度监测的光纤布 喇格光栅在线监测方法，该监测方法操作方便，且获得的检测结果准确。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：用于电力系统气体绝缘开关 母线温度监测的光纤布喇格光栅在线监测方法，其特征在于，该监测方法包括如 下步骤：

(1)在气体绝缘开关的母线开一个凹槽，该凹槽的开设位置在母线与盆式绝 缘子相连接并且被盆式绝缘子包覆的线段内；

(2)将光纤布喇格光栅的栅区粘帖在凹槽内，然后通过金属片盖住凹槽将凹 槽密封，光纤布喇格光栅的引出线穿过金属片、盆式绝缘子后最终从盆式绝缘子 的法兰引出，引出后与波长解调仪器相连接；

(3)将波长解调仪器与电脑中的波长解调模块相连接，光纤布喇格光栅用于 直接感测气体绝缘开关的母线温度，并且向波长解调仪器传输与感测到的温度相 对应的反射光谱，波长解调仪器接收该反射光谱，并且将接收的反射光谱输送给 波长解调模块，波长解调模块通过公式(1)对接收到的反射光谱中的波长信号进 行解调，解调为温度信号，并且通过显示器显示出来，

λ＝k1×T²+k2×T+k3    公式(1)

式中，λ表示波长，单位nm，

T表示母线温度，单位℃，

k1，k2，k3均为常数，取决于光纤布喇格光栅(FBG)温度标定结果。

与现有技术相比，本发明基于光纤布喇格光栅(FBG)传感技术，可抗电磁 干扰、能定点测量，实时检测GIS母线的温度，可实现气体绝缘开关(GIS) 母线温度的在线监测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明在线监测系统的整体结构示意图；

图2是本发明中母线凹槽的结构图。

附图标记说明

1、外壳；  2、母线；  21、凹槽；  21a、底面；  21b、倾斜面；

3、盆式绝缘子；  4、法兰；  5、光纤布喇格光栅；  6、波长解调仪器；

7、电脑

具体实施方式

如图1、图2所示用于电力系统气体绝缘开关母线温度监测的光纤布喇格光栅 在线监测系统，母线2内置在气体绝缘开关的外壳1内，母线2在与盆式绝缘子3 相连接并且被盆式绝缘子3包覆的线段内开有一个凹槽21，监测系统包括光纤布 喇格光栅5、波长解调仪器6、波长解调模块、显示器以及凹槽21，光纤布喇格光 栅5的栅区粘帖在凹槽21内，然后通过金属片盖住凹槽21将凹槽21密封。

光纤布喇格光栅5的引出线穿过金属片、盆式绝缘子3后最终从盆式绝缘子3 的法兰4引出，引出后与波长解调仪器6相连接，波长解调仪器6与电脑7内置 的波长解调模块相连接，光纤布喇格光栅5用于直接感测气体绝缘开关的母线温 度，并且向波长解调仪器6传输与感测到的温度相对应的反射光谱，波长解调仪 器6接收该反射光谱，并且将接收的反射光谱输送给波长解调模块，波长解调模 块接收传输来的反射光谱，获取反射光谱中的波长信号，获得的波长λ的值为 1549.8561nm，并且通过如下公式对所获取的波长值来计算母线温度，即通过对获 得的反射光谱中的波长值进行解调，来获得母线温度。

λ＝1.007e-5×T2+9.128e-3×T+1549.6828

式中，λ表示波长，单位nm，

T表示母线温度，单位℃，

将上述获得的波长值λ为1549.8561nm代入上述公式中，计算所得到的温 度值为18.63℃，该计算所得的温度值即为得母线温度。

解调后的温度信号即为母线温度，并且通过电脑的显示器显示出来，从而在 线显示气体绝缘开关的母线温度。

本发明中，凹槽21的底面21a为长方形的平面，底面21a的长宽尺寸为 6cm×3cm，凹槽21的深度为2cm，光纤布喇格光栅5的栅区粘帖在底面21a上， 凹槽21中与底面21a的短边相连接的一个侧面为倾斜面21b，倾斜面21b与水平 面之间具有30°的倾斜夹角α，凹槽21的另外三个侧面均为与底面21a相垂直的竖 直面。

本发明开设槽底部长度为6cm，深度2cm，宽度3cm的凹槽。光纤布喇格光 栅粘帖于母线凹槽的底面21a，沿倾斜面21b引出。为了方便引出，避免光纤布喇 格光栅弯曲、折断，倾斜面21b的倾斜角度定为30°。为了便于盆式绝缘子浇注以 及更好的固定光纤布喇格光栅，在凹槽上方加密封金属片，沿倾斜面21b引出的 光纤布喇格光栅引出线穿过密封金属片引出，金属片的尺寸较凹槽略大即可。引 出线浇注于盆式绝缘子中，最终由盆式绝缘子的法兰引出。

本发明的在线监测系统在母线上开一个小尺寸凹槽，将光纤布喇格光栅栅区 粘帖于槽内，并用同样材质的金属片将槽密封，在该金属片上留孔引出光纤布喇 格光栅出线，再将该出线浇注于盆式绝缘子内，最终从盆式绝缘子法兰中引出， 将光纤布喇格光栅引出线接于波长解调仪器并连接电脑进行解调，将波长信号解 调为温度信号，由于光纤布喇格光栅的高灵敏度，即可准确的测量出GIS母线温 度。

本发明同时还公开了用于电力系统气体绝缘开关母线温度监测的光纤布喇格 光栅在线监测方法，该监测方法包括如下步骤：

(1)在气体绝缘开关的母线2开一个凹槽21，该凹槽21的开设位置在母线 2与盆式绝缘子3相连接并且被盆式绝缘子3包覆的线段内；

(2)将光纤布喇格光栅5的栅区粘帖在凹槽21内，然后通过金属片盖住凹 槽21将凹槽21密封，光纤布喇格光栅5的引出线穿过金属片、盆式绝缘子3后 最终从盆式绝缘子3的法兰4引出，引出后与波长解调仪器6相连接；

(3)将波长解调仪器6与电脑中的波长解调模块相连接，光纤布喇格光栅5 用于直接感测气体绝缘开关的母线温度，并且向波长解调仪器6传输与感测到的 温度相对应的反射光谱，波长解调仪器6接收该反射光谱，并且将接收的反射光 谱输送给波长解调模块，波长解调模块通过如下公式对接收到的反射光谱中的波 长信号进行解调，解调为温度信号，并且通过显示器显示出来，

λ＝1.007e-5×T2+9.128e-3×T+1549.6828

式中，λ表示波长，单位nm，

T表示母线温度，单位℃，

将上述获得的波长值λ为1549.8561nm代入上述公式中，计算所得到的温 度值为18.63℃，该计算所得的温度值即为得母线温度。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不 限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手 段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多 种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。