作為電力系統(tǒng)的核心裝置，油浸式電力變壓器是電力傳輸通道的關(guān)鍵節(jié)點，其安全穩(wěn)定運行對電力系統(tǒng)的可靠性和能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)至關(guān)重要。通過對變壓器油箱進(jìn)行壓力監(jiān)測，可以掌握其內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重故障導(dǎo)致氣化時的壓力變化過程，從而及時采取有效的措施，確保變壓器安全運行。現(xiàn)有的壓力傳感器通常使用金屬封裝或空腔結(jié)構(gòu)，如果直接在變壓器內(nèi)部使用，會對變壓器的絕緣造成威脅。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決該問題，華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室的研究人員提出一種開發(fā)高靈敏度、寬量程、無金屬化、帶溫度補償?shù)?a href="http://www.3532n.com/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)壓力傳感器的方法。相關(guān)研究成果以“A metal-free optical pressure sensor with high sensitivity and extensive range”為題發(fā)表在CSEE Journal of Power and Energy Systems期刊上。

該方法基于波長解調(diào)光纖光柵技術(shù)。研究人員采用氟硅橡膠封裝光纖光柵，并在其外部添加環(huán)氧樹脂屏蔽殼，形成無金屬化封裝結(jié)構(gòu)。同時，采用雙光柵垂直排列的方式，提高了壓力測量的靈敏度，進(jìn)一步避免了變壓器故障導(dǎo)致的溫升對傳感器測量結(jié)果的影響。此外，通過優(yōu)化內(nèi)部敏感元件的幾何結(jié)構(gòu)、光纖光柵的預(yù)拉伸長度、間隙距離等參數(shù)，在保證傳感器性能的同時減小了探頭尺寸。

圖1 聚合物封裝的光學(xué)壓力傳感器的半剖視圖

圖2 雙光柵交叉布局示意圖

該方法能夠滿足不同靈敏度和量程的壓力傳感器制備要求，并在一定程度上兼顧了高靈敏度和寬量程。研究人員通過靈活選擇敏感元件的尺寸和預(yù)拉伸長度，驗證了該方法的有效性。所制備的傳感器原型靈敏度為15 pm/kPa，量程約為0.2 MPa。同時，研究人員通過測量油隙擊穿時的壓力波形，驗證了壓力傳感器在放電環(huán)境下測量油壓的可行性和有效性。該壓力傳感器的無金屬特性使其適用于各種油浸式動力設(shè)備，它能夠記錄因電氣放電擊穿而引起的油壓變化，因此對變壓器早期故障中的微小壓力變化非常敏感。

圖4 不同光學(xué)壓力傳感器的靈敏度和量程比較

圖5 光學(xué)壓力傳感器在45 ~ 120℃范圍內(nèi)、0 kPa時的測量結(jié)果（無溫度補償）

圖6 光學(xué)壓力傳感器在45 ~ 120℃范圍內(nèi)、0 kPa時的測量結(jié)果（帶溫度補償）

圖7 光學(xué)壓力傳感器在45 ~ 120℃范圍內(nèi)、10 kPa時的測量結(jié)果（帶溫度補償和無溫度補償）

圖8 放電室內(nèi)的光學(xué)壓力傳感器

圖9 光學(xué)壓力傳感器記錄的擊穿瞬間的壓力波形

綜上所述，這項研究提出一種開發(fā)高靈敏度、寬量程的無金屬光學(xué)壓力傳感器的方法。基于該方法制備出的光學(xué)壓力傳感器原型靈敏度為15 pm/kPa，量程為0.2 MPa。該傳感器可用于油紙絕緣環(huán)境中的壓力監(jiān)測，在高靈敏度檢測場景以及更廣泛的領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

審核編輯：劉清