作为电力系统的核心装置，油浸式电力变压器是电力传输通道的关键节点，其安全稳定运行对电力系统的可靠性和能源互联网的建设至关重要。通过对变压器油箱进行压力监测，可以掌握其内部出现严重故障导致气化时的压力变化过程，从而及时采取有效的措施，确保变压器安全运行。现有的压力传感器通常使用金属封装或空腔结构，如果直接在变压器内部使用，会对变压器的绝缘造成威胁。
据麦姆斯咨询报道，为了解决该问题，华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的研究人员提出一种开发高灵敏度、宽量程、无金属化、带温度补偿的光学压力传感器的方法。相关研究成果以“A metal-free optical pressure sensor with high sensitivity and extensive range”为题发表在CSEE Journal of Power and Energy Systems期刊上。
该方法基于波长解调光纤光栅技术。研究人员采用氟硅橡胶封装光纤光栅，并在其外部添加环氧树脂屏蔽壳，形成无金属化封装结构。同时，采用双光栅垂直排列的方式，提高了压力测量的灵敏度，进一步避免了变压器故障导致的温升对传感器测量结果的影响。此外，通过优化内部敏感元件的几何结构、光纤光栅的预拉伸长度、间隙距离等参数，在保证传感器性能的同时减小了探头尺寸。
图1 聚合物封装的光学压力传感器的半剖视图
图2 双光栅交叉布局示意图
图3 封装好的光学压力传感器
该方法能够满足不同灵敏度和量程的压力传感器制备要求，并在一定程度上兼顾了高灵敏度和宽量程。研究人员通过灵活选择敏感元件的尺寸和预拉伸长度，验证了该方法的有效性。所制备的传感器原型灵敏度为15 pm/kPa，量程约为0.2 MPa。同时，研究人员通过测量油隙击穿时的压力波形，验证了压力传感器在放电环境下测量油压的可行性和有效性。该压力传感器的无金属特性使其适用于各种油浸式动力设备，它能够记录因电气放电击穿而引起的油压变化，因此对变压器早期故障中的微小压力变化非常敏感。
图4 不同光学压力传感器的灵敏度和量程比较
图5 光学压力传感器在45 ~ 120℃范围内、0 kPa时的测量结果（无温度补偿）
图6 光学压力传感器在45 ~ 120℃范围内、0 kPa时的测量结果（带温度补偿）
图7 光学压力传感器在45 ~ 120℃范围内、10 kPa时的测量结果（带温度补偿和无温度补偿）
图8 放电室内的光学压力传感器
图9 光学压力传感器记录的击穿瞬间的压力波形
综上所述，这项研究提出一种开发高灵敏度、宽量程的无金属光学压力传感器的方法。基于该方法制备出的光学压力传感器原型灵敏度为15 pm/kPa，量程为0.2 MPa。该传感器可用于油纸绝缘环境中的压力监测，在高灵敏度检测场景以及更广泛的领域具有潜在应用价值。
论文信息：
DOI: 10.17775/CSEEJPES.2022.06240
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