高壓觸點光纖測溫技術

馮驛棋

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇鎮江 212013)

高壓觸點光纖測溫技術

馮驛棋

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇鎮江 212013)

本文介紹了各種高壓電氣測溫方式,著重說明了光纖式測溫的優點及局限性。

溫度 光纖 高壓

1 現狀及發展趨勢

電力系統正向著大電網高可靠性、高自動化水平的方向迅猛發展。對電網運行自動化、智能化的監控水平已成為國內外高度重視的關鍵問題。隨著社會用電量的日益增加,承載著大負荷輸送任務的高壓電氣設備如變壓器、互感器、高壓開關柜、室外刀閘等電力負載也在迅速增加。電網中眾多高壓電氣設備本身、設備之間的聯接點是電力輸送最薄弱環節,這個薄弱環節的實質問題就是聯接點發熱。隨著負荷的增大,導致聯接點發熱并形成惡性循環:溫升、膨脹、收縮、氧化、電阻增大、再度升溫直至釀成事故。因此,電力系統不惜人力、財力,采取多種措施監測高壓聯接點的溫升。據國家電力安全事故通報統計,我國每年僅發生在電站的電力事故,40%是由高壓電氣設備過熱所致。為避免出現連接點溫升過高,甚至燒毀造成停電事故,國家標準對高壓電器的主回路電阻和溫升做了具體要求和規定,但對于運行中的高壓電器接點溫度如何進行有效地在線檢測尚無具體要求。因此監測高壓設備聯接點溫升是杜絕此類事故發生的關鍵,實現溫度在線監測是保證高壓設備安全運行的重要手段。

目前高壓設備測溫方式有以下幾種:

(1)分布式光纖測溫；

(2)紅外測溫法；

(3)無線實時測溫裝置。

圖1 光纖式測溫裝置原理框圖(傳感器部分)

圖2 光纖式測溫裝置原理框圖(主機部分)

為預防和避免事故的發生,開發一種可靠、實用、方便的觸點溫度實時在線檢測裝置顯得非常必要。該裝置不僅對高壓帶電設備的各種聯接點溫度實時在線監控,確保電網的安全運行,而且還可以對監測的數據進行記錄和保存,為設備狀態檢修提供重要的依據。

2 高壓線路測溫方式優缺點

2.1 分布式光纖測溫

分布式光纖溫度傳感系統DTS是基于光纖拉曼(Raman)散射現象。激光器光源發出的光脈沖與光纖分子相互作用,發生散射,散射光有多種類型,如:瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是與光纖分子的熱振動相關聯的,因而對溫度有敏感,可以用來進行溫度測量。在光纖中,散射信號是連續的,通過使用高速信號采集技術測量入射光和拉曼散射光之間的時間間隔,可以得到拉曼散射光發生的位置,由于拉曼散射光對溫度敏感,所以可以沿著 光纖測量到相應的溫度分布。

分布式光纖測溫距離遠,數據量大,適合電纜測溫。但分布式光纖數據量非常大,需要處理器具有較高的處理能力,從而提高了其成本及供電要求。

2.2 紅外測溫法

表1

圖3 試驗變壓器

利用光學設備聚焦于待測設備的觸點,根據設備觸點在不同溫度下紅外輻射率不同的遠離,采集該測點表面熱能量的紅外輻射,經過紅外鏡頭聚焦,將待測點的紅外輻射送至紅外探測器,從而測得被測點的溫度。

該方法通過凸透鏡直接接受測量點發出的遠紅外波,接收器可以遠離測量點,解決了高壓格力以及傳感器環境溫度高的問題。但由于被監視的個高壓電器設備觸電的紅外輻射率不同,以及雜散光、背景光和各種光的干擾,導致紅外輻射路徑不同及大氣衰減等因素都會影響測溫的精度,因而紅外測溫發的穩定性較差。雖然較好的紅外測溫設備和熟練人員側操作下也能大概測出高壓帶電設備的溫度,但只能測量在直線可視范圍內的測點溫度,這是紅外測溫法的致命弱點。而且紅外測溫儀逐點測溫的方法必須避開太陽光的背景干擾,一般需要在夜間或陰雨天到達現場實測,測量誤差較大,還需要大量的人力物力。

另外紅外測溫成本較高,如果研發在線監測產品,價格會比較高。最終形成產品后市場前景不被看好。

圖4 傳感器安裝

圖5 傳感器安裝

2.3 無線實時測溫裝置

無線測溫傳感器采用數字式溫度傳感器DS18B20采集溫度信息,將溫度信息通過2．4G射頻方式傳輸至數據接收單元,數據接收單元可以同時管理多個無線測溫傳感器。數據接收單元將數據整理并暫存,由主機通過通用的通訊協議來讀取傳感器數據,實現對所有傳感器的監測。該方法優點在于通過射頻的方式傳輸數據,解決了電位不平衡給測量帶來的障礙。其次,通過1主多從的方式管理傳感器,降低了設備使用成本。由于無線測溫傳感器體積較小,可以安裝在任意狹小的位置。

但無線數據傳輸有其不確定性,受環境干擾較多,無法實現高可靠性數據傳輸。

3 光纖式測溫裝置的研發及應用

光纖式溫度傳感器用于測量帶電物體表面的溫度,如高壓開關柜內的裸露點和母線連接處的運行溫度。

光纖式測溫裝置原理:使用傳統半導體測溫材料,傳統測溫原理具有低成本、低功耗、高精度等優點。結合目前最先進的單片機低功耗技術,使得傳感器本身功耗極低,待機功耗僅為8uA,新技術的應用使產品鋰電池供電成為了可能。

表1為電池容量與傳感器工作時間對應關系(理論值)。

根據目前電子元器件使用壽命及電池自放電率,2Ah電池足夠使用至設備更新,所以本測溫傳感器體積可以做的比較小。

傳感器采用光傳輸信號,光通訊優點是高效、可靠并且無電氣連接。本方法采用光作為數據通訊媒介徹底切斷了高電壓與設備之間的電氣連接,解決了電位不平衡給測量帶來的障礙如圖1、圖2、圖3所示）。

傳感器生產過程中嚴格按照標準調試,完全可以做到直接互換,為系統長期運行以后傳感器的更換提供了便利。傳感器本身的安裝非常簡單,即使無該產品的安裝經驗也同樣可以根據指導書快速安裝。

數據接收及存儲部分采用高性能32位微處理器作為中央控制單元。數據存儲采用鐵電存儲器,該技術優于傳統EEP存儲,具有速度快、存儲時間長等優點。數據顯示部分采用彩色液晶產品。

光纖式測溫裝置裝置在高壓試驗變壓器做耐壓試驗電壓等級達到350kV,測量數據仍正常,從而驗證了光纖式測溫裝置的絕緣耐壓水平可以安全工作在電壓等級在220kV以下的線路上。

光纖式測溫裝置應用實例:基于光纖式測溫裝置的測溫系統已經成功在東麗化工安裝運行,如圖4、5所示。

安裝至今,系統已穩定運行近一年,期間準確定位一次線路高溫,經停運檢修,確認缺陷為設備老化導致發熱量增加,及時消除了安全隱患,保證了站內設備的安全穩定運行。

4 結語

本文所論述的光纖式測溫系統適應現有工況條件,成本較低,普及意義重大。該項目的普及將對日后各種高壓設備由于接頭溫度引起的故障提供最直接的預報。

[1]金振東 等.國內高壓帶電設備測溫方式綜述及分析[J].電力設備,2007,(8)57-61.

[2]陳振生.智能高壓開關設備的在線監測技術[J]電力設備,2008,(3).

This paper introduces various high-voltage electrical measurement method, illustrates the advantages and limitations of optical fiber temperature measurement.

Temperature Optical fiber high voltage

馮驛琪(1993—),女,現就讀于江蘇大學電氣信息工程學院。