[发明专利]一种测量变压器油温的探头式FBG温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量电力变压器油温的探头式FBG温度传感器，属于光电子测量技术领域。

背景技术

电力变压器是变电站的重要设备，是电力系统的枢纽环节，负担着电网的升压、降压和电压调节等重任。近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，用电需求量迅速增长，电网的规模不断扩大，电压等级不断提高，变压器的单机容量不断增大，导致变压器的故障率也随之增加。及时了解变压器的运行状况，对可能发生故障的部位进行检修，是减少变压器故障率、提高变压器运行安全性的重要措施。传统的温度检测手段主要是热电偶；局放检测依靠高频信号检测和压电陶瓷超声传感器;变压器油析出气体检测主要依靠半导体或电化学传感器。上述电了检测技术都取得了不同程度的成功，但也存在局限性：包括(1)受强电磁场和环境噪声干扰；(2)气体传感器选择性差等。（杜剑波，魏玉宾，刘统玉，光纤传感技术在变压器状态检测中的应用研究，《电力系统保护与控制》，2008）

与本专利最接近的技术是鲁杨明，“电力变压器油温监测装置”《动力与电气工程》，2013年6期刊。在该文献中提到设计了一种小型一体化的电力变压器油温测量装置,该装置集铂电阻温度传感器、控制器、通讯单元于一体。该测温装置易受电磁、传输距离、导线电阻等因素的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种探头式测量电力变压器油温的FBG温度传感器。实现对变压器油温的实时在线监测，抗干扰性强，准确度高。

实现本发明的上述目的所采取的技术方案是：本传感器包括大膨胀系数的聚合物增敏封装材料（1）、高温陶瓷（2）、石英封装（3）、紧固件连接接口（4）、连套管MIL-C-85723（5）光纤插针连接头（6）、不锈钢外壳（7）、聚四氟乙烯套管（8）、光纤Bragg光栅（9）、引出光纤（10）。光纤Bragg光栅（9）和引出光纤（10）熔接相连后通过聚四氟乙烯套管（8）套住进行内部保护，用大膨胀系数的聚合物增敏封装材料（1）采用模具浇铸的方式对光纤Bragg光栅（9）进行次封装，外部用高温陶瓷（2）相包裹，再通过石英封装（3）将其紧密固定在不锈钢外壳（7）内部，避免光纤Bragg光栅收到来自外界的挤压碰撞，提高了内部的稳定性。而紧固件连接接口（4）方便与外接光纤连接件相连，由于采用了大膨胀系数的聚合物封装Bragg光栅，因此提高光纤光栅传感器的灵敏度。

光纤Bragg光栅温度传感器通过变压器的试验孔，插入到电力变压器的油中，确保传感器能检测油浸式电力变压器油的温度。当油浸式电力变压器因接点接触不良、磁路故障、导体故障等原因产生大量的热量，热量通过电力变压器油传递给不锈钢外壳，进而被传递到包裹在高温陶瓷中的大膨胀系数的聚合物中光纤Bragg光栅，导致Bragg光栅反射波长的移位，由于弹光效应和波导效应对光纤光栅的波长没有显著的影响，只通过光纤的热膨胀效应和光纤热光效应，引起反射峰值波长的变化。所以通过与光纤光栅解码仪相连检测光纤Bragg光栅的波长移位量，最终达到对电力变压器油的温度进行实时监测的目的。

本发明技术的数学模型如下：

由于光纤Bragg光栅反射回来的峰值中心波长满足：

(1)

采用大膨胀系数的聚合物进行模具浇铸的方式，可以对光纤Bragg光栅进行增敏封装，设计制作高灵敏度的光纤Bragg光栅温度传感器。封装的目的再于外界温度变化能够引起光纤Bragg光栅的栅格周期Λ发生变化，进而导致光栅的中心波长λ_B发生漂移，实现光纤Bragg光栅的温度传感。

再不受任何外力作用下，被封装的光纤Bragg光栅中心波长λ_B的移位量Δλ_B与外界温度变化量ΔT的关系为：

(2)

在（2）式中，α是光纤光栅的热膨胀系数，它的表达式；ξ是光纤光栅的热光系数，它的表达式为；p_e是有效弹光系数，α_S为封装材料的热膨胀系数，比例系数κ_T是温度T的传感系数。

(3)

在（3）式中，光纤Bragg光栅温度传感器中心波长移位量Δλ_B与外界温度变化量ΔT成线性关系。通过测量光纤Bragg光栅的中心波长移位Δλ_B可以计算出探头式测量变压器油温的光纤Bragg光栅传感器此时的外界温度变化量ΔT。