绝缘子表面盐分对光纤布喇格光栅波长变化的抑制机理研究

On-line monitoring of insulator contamination can effectively track changes in insulator contamination, alarming the occurrence of pollution flashover. Conventional technology has several disadvantages: sensitive to electromagnetic interference, require on-site power, low accuracy and poor reliability. In order to solve these problems, a polyimide fiber Bragg grating (PI-FBG) is proposed to measure the salt based on its humidity-sensitive characteristics. High polymer will be used to reinforce the binding force between the polyimide molecule and the FBG, furthermore improve the humidity sensitivity of PI-FBG. Fourier transform infrared spectroscopy study will be carried out to investigate the chemical inhibition of salt dissolved in water on the hydrogen bonds between the polyimide and the water molecules. The physical morphology of the polyimide surface will be observed by SEM and TEM to explore the influence of the salt. With these efforts, the inhibition mechanisms of PI-FBG wavelength shift by the salt will be indicated. After that, the insulator artificial pollution tests will be carried out in our laboratory and a salt calculate algorithm, whose parameters are wavelength shift, will be proposed based on the experiment results.

绝缘子污秽在线监测能有效跟踪绝缘子污秽变化，防止污闪事故发生。现有技术存在易受电磁干扰影响、需要现场电源、精度低、可靠性差等缺点。本课题拟采用聚酰亚胺光纤布喇格光栅（PI-FBG）湿度敏感特性进行盐分的测量，解决现有技术存在的问题。本课题将利用高分子聚合物增强聚酰亚胺分子与FBG 的结合力，获得高感湿PI-FBG 的制备工艺。采用傅立叶红外光谱仪研究盐分溶水后对聚酰亚胺与水分子间氢键的化学抑制作用，使用SEM 和TEM 观察盐分对聚酰亚胺表面物理形貌的影响，从物理和化学角度探索盐分对聚酰亚胺吸水膨胀的抑制机理，获得盐分减小聚酰亚胺膨胀应变进而降低FBG 布喇格波长变化量的抑制规律。之后，基于绝缘子人工污秽试验结果，创建利用FBG传感器阵列评估绝缘子上盐密分布和整体盐密程度的体系和方法，解决PI-FBG 对温度、湿度和盐密交叉敏感问题，为建立全光网远程分布式盐密监测系统奠定基础。

本项目的研究目标是为解决现有输电线路污秽在线监测系统存在的测量准确性差、可靠性低、运行不稳定、需要现场电源、成本高等方面问题，拟研制出基于光纤布喇格光栅（FBG）技术的绝缘子盐密测量传感器，进行绝缘污秽全光网在线监测。由于FBG的特征量布喇格波长仅对温度和应变敏感，目前没有办法应用FBG对进行盐分的测量。本项目通过研究取得的成果包括：.1)提出了高湿度敏感性PI-FBG制备方法，解决了传统PI-FBG制备后出现的聚酰亚胺涂覆不均匀，PI-FBG反射光谱波峰不明显或严重变形，湿度灵敏度较低，氯化钠对PI-FBG吸湿抑制作用不明显等问题。改进制备工艺后的PI-FBG具有较高湿度灵敏度，其湿度敏感性达到8.2pm/%RH，获得了PI-FBG 湿敏特性影响因素及高感湿PI-FBG 的制备方法，湿度灵敏度提高了4.3倍。.2)通过理论分析与ESEM表面观测试验等方法对PI-FBG的盐密检测机理进行了分析，掌握了金属离子对聚酰亚胺层内部孔道的阻塞作用，揭示了盐分对PI-FBG湿度传感的抑制机理，确定了不溶盐对聚酰亚胺吸湿基本没有抑制作用的原因，改进涂覆工艺后氯化钠对传感器的波长抑制量提高为改进前的8.5倍，为利用PI-FBG进行绝缘子表面盐密检测奠定了基础。 .3)通过人工污秽试验获得了不同湿度条件，不同量盐分对PI-FBG 湿敏传感抑制效果数据库。通过应用数据库解决了PI-FBG 盐分、温度和湿度交叉敏感的问题，建立了盐密传感阵列，构建利用多PI-FBG 布喇格波长变化量进行绝缘子上盐密程度辨识的理论体系和方法。研制了基于PI-FBG的远程盐密监测系统，通过OPGW光纤通讯方式将安装于不同杆塔上的测量传感器连接到位于变电站的自主开发的光纤光栅波长解调系统上。.本项目提出了使用PI-FBG传感器进行输电线路外绝缘污秽监测的新方法并研制了监测系统，具有抗电磁干扰、高监测可靠性、远程无源测量、准分布式测量等优点，大幅度降低了系统的整体成本，并且具有长期稳定性，在大规模污闪停电预防领域有广泛的应用前景。.结合该项目的研究，培养硕士1名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文8篇，被SCI收录7篇，获国家发明专利1项。