输电导线光纤光栅温度传感器结构与特性研究

武汉轻工大学学报Journal of Wuhan Polytechnic UniversityVol. 37No. 1Feb.2018

文章编号:2〇95-7386(2018)01-0056-07

DOI；10.3969/j. issn. 2095-7386.2018.01.012

输电导线光纤光栅温度传感器结构与特性研究

谢妍\\李牧2 $方书博2

(1.武汉轻工大学电气与电子工程学院，武汉430023;2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074)

摘要：导线温度作为导线实时动态载流量的表现形式，是输电线路动态增容的重要指标之

一。传统的温度监测手段如热电偶测温和红外测温技术比较成熟，但抗电磁干扰和绝缘能力

较差。本研究首先对光纤光栅温度传感器的封装方式进行了分析，选择了传感器的金属封装 形式。对其温度增敏特性分析的基础上，研究其增敏结构并给出了结构图。基于目前常用的 导线温度传感器夹具形式，对其中的两种结构形式进行了分析研究，并在110kV电压环境下 分别对它们进行了仿真分析，并在此基础上最终确定了传感器夹具的结构形式。最后，为测试 此光纤光栅温度传感器的工作特性，对其进行了实验测试。测试结果表明，此结构与工作特性 符合国家相关标准要求，有较好的实际应用价值。

关键词：光纤光栅；温度传感器；导线；夹具；结构；封装；温敏特性 中图分类号:TM 930 文献标识码:A

Researchon structure and characteristics of fiber bragg grating

temperature sensor for power transmission line

XIE Yan1，LI Mu2，FANG Shu-b〇^

(1. School of Electrical and Electronic Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China;2. Wuhan Nari Limited Liability Company，State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China)

Abstract; Transmission line temperature，as important indexes of

the

form

of

real - time dynamic lines.

Traditional

capacity of temperature

dynamic capacity increase of

transmission

conducto

monitorin

such as thermocouple temperature measuremen t and infrared temperature measuremen t tec hnology are mature，butthey have poor electromagnetic interference resistance and poor insulation ability. This paper firstly analyzes thepackaging method of

the fiber Bragg grating ( FBG) temperature

sensor，and selects

the metal packaging

sensor. Based on the analysis of temperature sensitive characteristics，the structure of increasing temperature sensi­tivity is studied and the structure diagram is given. Based on the commonly used type of transmission line tempera­ture sensor clamp，the two kinds of structural types are analyzed and studied，and the simulation analysis is carriedout under tlie 110kV voltage structure and working

environment.

Finally，the sensor，the FBG

structure type experiment

of the sensor fixture is determined. is

carried out. the

The test results

requirements of the

working characteristics of the FBGtemperature

characteristics of the

temperature sensor meet

standards，and have good practical application value.收稿日期;2017-12-05.作者简介:谢妍，（1973-)，女，博士，副教授，E - mail:limimimm@ 163. com.

______________________谢妍，李牧，方书博:输电导线光纤光栅温度传感器结构与特性研究______________________Key words： filler Bragg grating\" FBG) ; temperature sensor； transmission line; clamp % structure; encapsulation %temperature sensitive property.

l引言

线路输电能力与导线运行温度有直接关系，导 线温度作为导线实时动态载流量的表现形式，是输 电线路动态增容的重要指标之一。若输电导线长期 温度过高，就降低其导线和金具的机械强度和寿命， 从而引起导线弧垂的增加，导线对地交叉跨越空气 间隙距离的减小，最终影响输电线路对地的安全距 离裕度。因此，线路运维部门需要实时监测导线负 载，及时发现线路温度异常，预防线路严重电流过载 现象的发生，从而保障运行安全。传统的输电线路 温度监测手段如热电偶测温和红外测温技术比较成 熟，但抗电磁干扰和绝缘能力较差。近年来，光纤传 感技术随着光通信技术的飞速发展在电力行业内的 应用体现出明显的优势，光纤传感器以其在远距离 传输、不受电磁干扰、信号带宽大、灵敏度高、响应速 度快、动态范围宽、质轻、径细、结构紧凑、成本低、适 于在高温、腐蚀性或危险性环境中使用等方面的绝 对优势使其在在线监控领域有着广阔的应用前景。

利用光纤光栅本质绝缘、抗电磁干扰、耐腐蚀、 性能稳定等优点，本文拟对基于光纤光栅的线路温 度传感器结构与特性进行研究，通过试验验证其有 效性，从而为温度传感器的实际开发应用提供理论 依据[1-4]。

2温度传感器结构研究

2.1封装方式研究

作为温度传感器件，温度分辨率是其重要的功

能参数指标之一。利用V+gI的反射波长随温度

变化而产生漂移的特性，光纤V+gI光栅温度传感 器被广泛研究。光纤光栅本身的温度特性参数（热 膨胀系数和热光系数）都很小，所以其温度灵敏性 并不高，而且裸光纤光栅温度传感元件的波长解调 技术不仅技术复杂、价格昂贵，而且元件获得高的温 度分辨率也很困难，因此，近年来国内外学者广泛开 展对光纤光栅的温度增敏技术的研究，分析研究各 种结构和方式以提高其温度敏感性能[5_7]。

目前，国内外研究较多的一种结构是采用有机 聚合物对光纤光栅进行温度增敏封装的管式灌封增 敏模型。研究表明，采用这种结构进行封装后，光纤 光栅温度传感器可以取得较好的温度增敏效果。但

由于聚合物材料本身的温度特性为非线性，体现出 来的温度变化规律也较为复杂，而且聚合材料会随 着时间的推移出现蠕变、老化等问题，这些都将会直 接影响光纤光栅的温度传感性能的时效性。也有不 学者 温度特 的金 取 机物，采用金属构件、金属基底或金属封装等方法来设 法提高光纤光栅温度灵敏度。比较于利用聚合物进

的管 型 ， 金 比 物定的 系数 的 ，种金属封装的形式可以更灵活多样，如多种多样的 金属的结构形式、不同金属间的各种组合、形式多样 的封装结构形式等等，这些都可以不同程度地提高 光纤光栅温度传感器的温度灵敏性。

2.2增敏结构研究

温度的变化引起物体的变形，称为热变形。物 体受温度的变化会出现膨胀或收缩，当这种膨胀或 收缩被约束时，物体内就会产生应力。这种无外力 作 温度 化 的 产生的应力，称为热应力或温度应力。一般来说，热应力 的产生表现为以下三种情形：

\"1)物体本身不受外界约束，但由于其温度分 布不均勻，内部的每一部分因受到不同温度的相邻 部分的影响，不能自由变形，也会在内部产生热应 ;(2)

物体温度均勻变化，但热变形受到外部约

束，例如金属棒两端被固定于刚体壁之间，金属棒不 能自由地变形就会在棒内产生压缩热应力；

(3) 物体是由若干不同材料的零件组合起来 的，即使物体受到相同的温度变化，但由于不同材料 的膨胀系数不同，造成各零件之间的变形不能自由 发生，从而产生热应力[8-11]。

对于采用金属化保护封装的光纤光栅传感器， 当温度发生变化时，由于光纤光栅元件的热膨胀系 数与其金属保护层金属的热膨胀系数不同，此时就 会出现如上所述的第三种情况。

一般情况下，金属的热膨胀系数会远大于光纤 的热膨胀系数，因此，从理论上讲，金属化保护后的 光纤光栅温度灵敏度系数会大大提高。而且，金属 的热膨胀系数越大，其对光纤光栅温度的增敏作用 就会越大。所以，根据FBG对应变和温度同时响应 的特性，这里，我们考虑使用双金属结构对光纤光栅 进行温度灵敏度增敏，增敏结构如图1所示。

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武汉轻工大学学报2018 年

图1光纤光栅温增敏结构图

的上半部 个 $ 部

基底，基底 是 系数 比较大的料制作。 基底 带 ？L，通过 将基底 定在一起。两个 间有一*长度为[的 ， 间定有光纤光珊。

当温度变化时，光纤光栅会 中间的缺度的变化发生 。这样，光纤光 温度的 应 ：

!，l_ajl_d、'T ⑴

中$是基底的 系数，$2是

的

系

数，1是 定 间的

，[ 间度。 （1)可以 后Bragg反射波长

温度 化的 系 ：令

=[(\"+$)+(1-D) \"ll\"2d(ld) ]'T(2)

(2#可知，当

的材料和尺寸选定

后光纤光 波的变化只与温度变化 。

， 金 的方法 计

电 的温度传感器以实现温度 ，并 感器对应力的敏感特性。温度变化时，双金属结 中 系数不同的金属的长度变化量的差转化成光纤光 度的变化量。 后，小管内填充物 ，不化，对 应 冲和吸收的作， 内的光纤光栅不会 应力的影， 实 温度的准确测量。 电导线光纤光栅温度传感器的 如图2 。d

z

i^

a

^ a^

图2

光纤光栅温度传感器外形结构图

# 3

安装夹具结构研究

基于目前 的输电 温度传感器 的形，文对其中的 进行了分析 。为选取适用于线路 的设计方式， 110 kV电环 ，对

进行了电

中现象的

有限元仿真分析。

第一

的桥梁工程上的

计方案，其优点是安装方便，夹持紧固，如图

3(a)所示。

温度传感器 矩 存在尖锐拐角。由于

与

，

面存在110 kV电势。

面 大的地方，等电位面 ，电 中，电

度激增。此时尖 的空 可 电产生电晕放电。为了验证尖端电 中情况，可以利 限元仿真软件COMSOL的静电模块对夹具空 仿真，并计算空 电 ，计

如图3(b) 。可以清楚 沿

轮廓向外，电110kV到零(接地） 空 均布。选取

面积较大 楚 尖 中的Y_ Z，X-Y平面展

电

情况，电 如

图3(6 。 仿真 可知电 金面的尖端拐角处集中。 面电 110kV的情况下，尖 面电 5.32 x 107 V/m。

1期谢妍，李牧，方书博:输电导线光纤光栅温度传感器结构与特性研究

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针对高压端夹具电磁环境恶劣的情况，在第二

中，夹具主

部位 之中，

沉设计， 块

圆 完隐藏于 面电

计，螺栓

孔

心对称;材料参数为空气（COMSOL自带材料库属 性赋值）；网格划分采用physics - controlled mesh (extremely fine)，最后网格划分自由度为902053。 边界条件 计算包 的空 电 ，夹

具轮廓为空 的内边界，表面电势110 kV，空边 同接地。

第 的电势分布仿真结果如4 ( c)所示，电势沿着空

内边

110kV到0

计图如图4(a)所示。

析结果，夹具

电烧坏导

据之前对矩 ，

如4(b) ，需

表面尖端会有电场集中，容易导致尖

面应当平滑。新的温度压块设计结

。 于 块 对称，且耦对

平 。

的电 主要集中 侧的圆 面。时间，在COMSOL中取右侧压块 分中减去压块

内电

， 。对第

以块

而由图4(d)可看出右侧弧线周围的电场强度约为 1.81e\" - 1. 87e7 V/m，大大低于原先矩形夹具设计 的边界电场集中值， 电 均匀， 激尖

峰，而且弧面倒角的电场峰值约在2. 18e7V/m到 2.36e7V/m之间。与矩

V/m

析。同样，在空

轮廓为内边界的空

的 立的模型 参数为温度压块 设

计参数。在COMSOL中直接导入SOLIDWORKS三 维结构图，用长80 mm，宽120 mm，高60 mm的空气 包

。仿真

件包括:空气域与压块中

尖端电场峰值5.32e7

电，因的

计。

相比降低了 50%左右，而且边界电场分布均

块不容易产生尖

第

对温度传感器

匀。于

(a)结构图(b)导线温度传感器夹具被空气域包裹的温度压块

(c)导线温度传感器夹具空间电势分布

图4

(d)导线温度传感器夹具空间电场分布

第二种结构形式的导线温度传感器夹具

综上所述，由于导线自身材料、形状及工作环境 ，本文

的输电导线温度传感器采用第二种

形式的夹具结构，以抱箍方式安装在导线上。在固定

间增加硅胶垫，避免夹具和导线在

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武汉轻工大学学报2018 年

长期运行过程中发生摩擦而损坏导线。图5给出了 感器

。

图5导线光纤温度传感器装夾结构图

实际应用中，

温度传感器安装夹具尺寸可

根据安

尺寸做相应调整。

3特性分析与试验

了分析

光纤光栅温度传感器的工作性

，需要对传感器进行实验测试。测试系统包括光

光 调仪、温箱、光光栅温度传感器 析

主机等组成，并 标准水银温度计进行对比测量。测量系统如图6 。

温度传感响应 试验的可靠性取决于试验温度场的稳定性。在温度 -50 C —+ 80 C内， 中国计量科学 院监制的TYC-1低 温检定无水 水槽中完成，其中-50 C — 20C段在无水 温试验槽完成，而20 C — 80 C在水槽中完成。试验槽提供的温度 定 70.01 C 。 温度计 标准水 温度 计， 度0.04 C。光光 调仪 国 Micron Optics公司生产的SM-125光光 感解调仪， 调

仪基于光纤F-P滤波器的解调技术，其波 1510 〜1590nm，分辨率 1 pm，精度 1 pm。

将3根同批生产的光纤光栅温度传感器置于温 度试验 中进行试验，在-50 C —+ 80 C的测量

内，每5 C —个测试点进行测量，并录温度

计的温度值和光纤光栅的波长值， 的结果如图

7 9 。可以 ，光光栅温度传感的线

度 ，两者的 系数达0.999以上，由

光纤光栅是理想的温度传感材料。对于本文 的

光纤光栅而言，温度传感系数为9. 35 Pm/°C，而光 光栅信号解调仪的识 可达1pm， 光纤光栅温度传感器理论上可以识别0. 10 C以上的 温度变化。

1555.8­1555.6­1555.4­

(

s}u1555.2­^澎

1555.0­1554.8­

1554.6­1554.4--60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

温度(°C)

图9 光纤光栅3#的温度特性标定试验数据

1期谢妍，李牧，方书博:输电导线光纤光栅温度传感器结构与特性研究

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为了更好的了解此光纤光栅温度传感器的高温 特性，对其在温度场为+80 °C—+ 200 S的范围内 的特性也进行了实验。由于温度较高，已不能使用 水浴恒温来完成，故选用沸点高达400 C的二甲基 硅油的油浴槽完成测试。为了使传感器快速升温， 并且达到较好的恒温效果，使用了高温恒温加热装 置。该装置测量精度可达到±0. 1 C，误差则可控 制在0. 5 C以内。试验数据与实际温度的对比数据 如表1所亦。

表1

温度对比试验数据

实际测温值（C)

测量温度值（C)

误差（C)11.611.90.318.619.10.525.424.9-0.538.739.10.453.654.10.571.871.3-0.587.487.50.194.194.60.5107.3107.80.5114.1114.60.5123.6123.90.3137.5138.00.5149.8150.20.4163.2163.50.3176.8177.20.4192.3191.8-0.5203.7

203.3

-0.4

分析上述试验结果可知，温度的变化与光纤波 长变化存在线性相关性，利用光纤光栅温度传感器 可以实现对输电导线表面温度的测量，测量范围符 合国网公司标准Q/GDW 244 -2010《输电线路导线 温度监测装置技术规范》中对接触式导线温度传感 器的各项技术要求，详细参数特性的比较见表2。

表2温度传感器参数特性与Q/GDW 244 - 2010

标准的比较

Q/GDW 244 -2010

项目

导线技术要求温度 感器工作温度-25 C ~+70 C-25 C—+70 C测量-40 C ~+180 C-50 C—+200 C

测量 度综合误差小于±1 C±0.5 C重量要求采集单元重量小于2. 5kg

(1.5kg防护特性

IP65 级

IP65 级

4结论

随着光纤光栅制造、处理技术的不断完善，光纤

光栅成栅方法、光敏性、光解码和聚焦光学系统等技 术难点逐一得到解决，光纤光栅传感技术应用成果 曰益增多，光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具 有代表性的光纤无源器件之一。

本文面向提升电网在线监测设备性能的重大需 求，对输电导线的光纤光栅温度传感器结构进行了 深入地分析研究，并对其温度特性进行实验测试，得 到令人满意的结果。总结本次研究如下！

(1 )相比于聚合物，金属具有更好的热传导性、 更稳定的热膨胀系数。因此，采用金属封装或金属 结构式的温度增敏方式比基于有机聚合物的管式灌 封增敏模型能更好地适用于光纤光栅对大型设备的 长期温度监测；

(2) 对于温度传感器的增敏结构，考虑采用双 金属结构的方法来设计导线温度传感器实现温度增 敏，以减小传感器对应力的敏感特性。温度变化时， 双金属结构中两种热膨胀系数不同的金属的长度变 化量的差转化成光纤光栅长度的变化量。经封装 后，小管内填充物为膏状，不固化，对外界应力有缓 冲和吸收的作用，因此小槽内的光纤光栅不会受到 外界应力的影响，从而能够实现导线温度的准确 测量。

(3) 为选取适用于线路高压端的设计方式，110kV电压环境下，对常用的两种输电导线温度传 感器的夹具形式进行了电荷集中现象的有限元仿真 分析，基于分析结果，确定了温度传感器的夹具结构

。(4) 针对此光纤光栅温度传感器，对其工作特 性进行了实验测试分析，比较结果显示，其有较好

在 62

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的测温工作特性，且其特性参数满足国网公司标 准Q/GDW 244 -2010《输电线路导线温度监测装 置技术规范》中对接触式导线温度传感器的各项 技术要求。

本研究通过对输电导线光纤光栅温度传感器的 结构进行调研、仿真分析及研究，对其封装方式、增 敏结构、夹具结构等进行了选择、设计。在此基础 上，对其工作特性进行了实验测试，测试结果令人满 意，具有较好的实际应用价值。参考文献：

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