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光纤在线测温技术在变电系统中的应用
jiang_0514 发表于 2009/8/26 16:23:38 1184 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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作者：山东省齐河县电业公司 马训福 来源：输配电产品应用变压器及仪器仪表卷 总第80期
1电力检测现状及发展趋势
电力系统的一次电气设备一般由断路器、变压器、电缆、母线、开关柜等电气设备组成。其相互之间由母线、引线、电缆等连接,由于电流流过产生热量，所以几乎所有的电气故障都会导致故障点温度的变化。例如在发电厂中电缆接头、电缆中间连接处、高压电缆的局部放电、高压开关柜的动静触头及其他连接处、低压电气连接处等位置过热是大型事故的征兆,也是电厂事故多发的重灾区。然而多年来由于技术水平的限制使电力系统安全运行水平受到一定限制，虽然我们曾利用红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、传统的点式测温系统希望解决上述问题，但都无法实现开关柜设备内如断路器、刀闸联接点和触头的测温，对全封闭金属铠装柜更是无能为力。光纤光栅感温故障监控系统彻底地解决了这一技术难题，实现了电力系统一次运行设备的实时在线检测，通过对设备实时数据的分析和预测，防止事故的发生，真正地做到防患于未然。同时也为今后实现状态检修，提高检修效率，降低检修成本和管理成本起到关键的作用。
2技术关键
2.1绝缘耐压性：在电力系统尤其是高压和超高压系统中使用的设备，首先要满足绝缘耐压的要求，即不能降低原有设备的电压等级和安全特性，基于光纤光栅原理的QS-Safe1000光纤光栅在线测温系统在监测现场为全光测量，传感器引出光纤在30cm爬电距离内可耐受超过95kV工频电压，完全满足高压开关柜内的绝缘耐压要求。
2.2防污闪：在高压开关柜这样的有限空间内，如何保证光纤留有足够的爬电距离是该系统能否保证原有系统安全的一大关键。现在应用中的的QST200光纤光栅温度传感器采用耐污性能优良的硅橡胶外套光纤进行信号传输，从而保证了系统的安全性。
2.3空间定位性：传统的光纤测温方式定位精度低，而且为了定位需要将5米光纤盘成一个盘来安装，不仅安装复杂，而且测量周期很长，还有很多隐患。而光纤光栅测温系统由于采用了光纤光栅做测温敏感元件，所以可以通过光纤光栅温度传感器来准确定位，对过热相或温升异常相进行报警，不仅可以测温，同时还可以通过温度的监测间接判断小电流接地端，作为小电流接地监测的补充。
2.4实时探测报警能力：传统测温方式，如测温点在40点到100点之间，则测温周期在几分钟到半小时之间。采用新型的光纤光栅测温系统，全部测点测温周期小于50毫秒，充分的保证报警的及时性，同时由于测温周期短，可以在报警系统中引入温升趋势报警，提高了报警的可靠性和前瞻性，提高电力设备的安全性。
2.5系统稳定性：传统的测温方式由于包含的环节多，因此出故障的环节也比较多；而光纤光栅测温系统的整体结构简单，只有光纤光栅温度传感器和分析仪两大主要部分组成，因此无中间环节，而测量现场为全光测量，完全不受强电场和强磁场的干扰，保障了系统的稳定运行。
2.6高可靠性：光纤光栅测温系统与传统测温方式相比有无误报、无漏报的特点，这是由于光纤光栅只对温度敏感，因此无论是其他条件发生何种变化，都不会对光纤光栅测量的准确性发生影响，另外，光纤光栅的加工方式采用物理加工的方式，因此，一旦产品完成后则不会产生零点漂移，所以光纤光栅测温系统不需要向传统的测温系统那样，定期进行零点标定，从而非常方便于维护。
3光纤光栅温度传感器原理
该光纤在线测温系统的温度采集基于光纤光栅温度传感器。光纤光栅（FBG）是一种反射式光纤滤波器件，通常采用紫外线干涉条纹照射一段10mm长的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，在布拉格波长上，在光波导内传播的前向导模会耦合到后向反射模式，形成布拉格反射。对于特定的空间折射率调制周期（t）和纤芯折射率（μ），布拉格波长为：
λB＝2tμ（1）
由式(1)可以看出：μ与t的改变均会引起反射光波长的改变。因此，通过一定的封装设计，使能外界温度、应力和压力的变化导致μ与t发生改变，即可使FBG达到对其敏感的目的。
FBG中心波长与温度变化的关系为
ΔλB＝λB（1＋ξ）ΔT（2）
式中，ΔλB是温度变化引起的反射光中心波长的改变；ΔT为温度的变化量；ξ为光纤的热光系数。在1550nm波段，FBG对温度的敏感系数分别为：10pm/oC
4光纤在线测温系统的结构及功能、参数
4.1结构：光纤在线测温系统由光纤光栅信号解调系统、光缆终端盒、传输光缆、每个开关柜内布置12个光纤光栅温度传感器、光缆终端盒、Web发布、、局内监控主机、变电站控制室组成
4.2光纤在线测温系统各部分的功能：
a)光纤光栅温度传感器：布置在高压开关柜内，采集温度信号。
b)传输系统：将温度传感器信号传到控制室内的光纤光栅解调仪。
c)光纤光栅信号解调系统：对温度信号进行解调，提供现场温度的实时信息。
d)系统软件：给整个系统的运行提供软件支持。
4.3技术参数
项目 | 参数值 | 单位 | 备注 |
测温范围 | -20 ～ 130 | ℃ | |
温度分辨率 | 0.1 | ℃ | |
测温精度 | ±0.5 | ℃ | |
温度响应时间 | < 60 | S | |
单通道扫描时间 | < 60 | S | |
画面数据刷新 | < 3 | S | 可选 |
通道数 | 1-32 | 根据监测点数量确定 | |
单通道传感器容量 | 12 | 支 | 可扩展 |
传输距离 | 10 | Km | 可达更远测量距离 |
系统软件 | 基于WINDOWS操作系统 | 温度数据同步采集 | |
报警 | 声光报警 | 超温报警 | |
系统工作温度 | 0～ 45 | ℃ | |
电源输入 | 220V±10% | AC |
5应用实例：某变电站封闭开关柜测温系统结构图如下：
2008年4月,由上海某光电科技有限公司生产的光纤光栅在线测温系统在变电站得到了应用,该变电站10kV、35kV开关室共计12面35kV开关柜和16面10kV开关柜,通过在每面开关柜的6个静触头设置光纤光栅温度传感器,实现对31面开关柜触头温度变化实时在线监测。该系统的主要设备包括:186只QST200光纤光栅温度传感器、1台QSA01-16光纤传感分析仪、1台工业控制主机和1台后台工作站。安装在每面开关柜内的6只QST200光纤光栅温度传感器通过1只QSC01-06光分路器按照星形方式并接在一根光纤上,引出到开关柜下面的电缆沟内；每两面开关柜引出的2根光纤在电缆沟内通过1只QSC01-02光分路器汇接到传输主光缆中的一根光纤上，因此，选用单模16芯无金属光缆作为传输主光缆。
QSA01-16光纤传感分析仪放置在主控制室，通过16芯传输主光缆实现对2.2km外10kV、35kV开关室内186只QST200光纤光栅温度传感器温度数据的实时采集，温度采集频率可通过软件设定，所有测温点单次采集时间最短仅为0.04秒钟。QSA01-16光纤传感分析仪监测到的温度数据通过10/100M以太网上传给工业控制主机，由运行于工业控制主机的“光电光纤在线测温分析软件V1.0”实现所有测温数据的采集、显示、存储及自动报警，该软件基于“组态王Web版”开发,支持测温信息电子地图显示、运行日志查询、报表打印、多条件报警设定(高温预警、高温报警、温升速率报警、区域温差报警等)以及远程Web访问,一旦开关柜静触头出现过温过热,可自动控制声光报警器动作,并将相应的开关柜过温过热报警信息自动发送到管理人员的手机上。通信室与主控制室通过内部局域网连接,放置在通信室的后台工作站可通过Web方式查看到开关室内31面开关柜触头温度的运行状态,包括当前温度、实时温度曲线、历史温度曲线、在线测温系统的运行日志和管理维护信息。
目前,该系统已经正常运行了数月时间,并已经成功监测到1次因开关柜动触点和静触点接触不良而引起的温度异常波动,并发出了报警信息。故障处理后,系统显示该测点温度恢复正常。本系统经受住了变电所实际环境的考验,实践证明其具备长期稳定的性能,能准确监测电力开关柜内温度的变化情况,减少了变电站中因故障造成的损失。系统可与站内的管理网络相连,实现信息的共享,提高了变电站的安全性和经济性。