高壓開關柜無線組網式光纖測溫系統

摘 要：本文研究了一種高壓開關柜無線組網式光纖測溫系統。系統主要分為三個部分：測溫主機、無線發射機、無線接收機。其中測溫主機采用光纖作為主要結構，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、防爆、防雷擊的優點；無線發射機將采集到的溫度數據用無線的方式進行傳輸，這樣不但省去了鋪設電線的麻煩，也方便進行無線組網。該系統被應用于高壓開關柜內的電纜接頭、動、靜觸點等易發熱的接觸點處的溫度檢測，取得了良好的效果。

關鍵詞：光纖測溫系統；無線組網；高壓開關柜

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.128

1 前言

電力開關柜、斷路器、變頻器、GIS等高壓電力設備內部金屬連接頭是很容易出現接觸不良、插接偏心不正常等情況。這將導致接觸電阻過大，在大電流下該處發熱嚴重，其結果是接頭溫度異常，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻進一步增大，形成惡性循環，發展到一定階段后，則會造成嚴重故障，破壞供電的安全可靠。因此，對接觸頭進行實時溫度監測，及時發現開關柜內的發熱點，實現故障的早期預測與報警對于保障設備安全和降低電網風險極為重要。

分布式光纖溫度傳感技術具有抗電磁場干擾、信號傳輸頻帶寬等特點。在電力系統中， 這種光纖傳感技術在高壓電力電纜、電氣設備因接觸不良易產生發熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發電機定子、大型變壓器、鍋爐等設施的溫度定點傳感場合具有廣泛的應用前景。另外，無線組網技術也即現在非常熱門的物聯網技術，通過Zigbee等無線組網方式可以省掉鋪設電纜的麻煩，搭建了一個多點、大范圍的無線傳感網絡，對多個點進行全天候的控制，大大節省了人力，提高了系統的安全監控能力[1-6]。

2 技術原理

光纖溫度傳感技術主要依據的是光纖的光時域反射（OTDR） 原理以及光纖的背向拉曼散射（Raman Scattering）的溫度效應。當一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時， 這個光脈沖會沿著光纖向前傳播。因光纖內壁類似鏡子，故光脈在傳播中的每一點都會產生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反（亦可稱為背向）。這種背向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的相關關系。反射點的溫度（該點的光纖的環境溫度） 越高， 反射光的強度也越大。也就是說，背向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。利用這個現象， 若能測量出背向反射光的強度， 就可以計算出反射點的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理[7-15]。

3 光纖點式測溫系統的組成結構

系統主要分為三個部分：測溫主機、無線發射機、無線接收機。系統結構如圖1所示。

其中，無線發射機（無線發射模塊）根據需要可以集成在主機內部也可以單獨在主機外面。系統工作過程如下：將測溫探頭貼在開關柜內斷路器接觸頭處，當接觸頭處溫度升高時，探頭處溫度敏感材料對光的反射會發生變化，光信號采集板接收到變化的光信號，將變化的光信號轉換成電信號，進行放大、濾波后再進行AD采樣。采樣得到的數據根據溫度與反射光之間的關系進行數字濾波處理，從而得到需要的溫度數據。采集到的溫度數據通過一無線發射模塊（本文用的是Zigbee模塊）發射出去。接收端由一臺PC機與無線接收模塊（也是Zigbee模塊）組成，PC機與無線接收模塊通過串口進行通信，將獲得的數據通過上位機軟件顯示出來。通過PC機可以同時無線監控多臺測溫主機，達到多點測量的目的。系統安裝結構圖如圖2，所用光纖測溫探頭如圖3所示。

4 系統主要實現的功能及其優勢

系統主要實現的功能如下：（1）溫度檢測探頭無需外部供電，無需電池，一次安裝，終生免維護；（2）溫度檢測探頭的高絕緣性能、抗電磁干擾、抗腐蝕、防爆、防雷擊，使其能在惡劣的壞境下工作；（3）具有靈活的配置能力，可根據項目需要單機實現6點至128點的檢測通道；（4）可多機無線組網，一臺PC機可以同時監控多臺測溫主機；（5）測溫范圍廣，-20度到120度；測溫精度1度，分辨率0.1度。

5 試驗結果

為了驗證測溫效果，搭建了一個開關柜內接觸頭模擬溫升試驗系統：將斷路器的觸頭固定在銅排上并將測溫探頭和與之對比的熱電偶固定在觸頭處，銅排通入電流，然后慢慢加大電流使得觸頭的溫度不斷升高。記錄了10：47-11：48時間內每隔三分鐘的溫度數據如表1所示，溫度曲線如圖4。

從曲線圖可以看出，探頭溫度數據與熱電偶的溫度數據擬合程度很好，但在局部探頭所測溫度與熱電偶所測溫度有所不同主要因為光纖探頭的安裝方式為表貼式，在溫度測量過程中受到環境的影響，總體上達到了預期的效果。

6 結束語

研究無線組網式光纖測溫系統，可方便、靈活的對電氣設備因接觸不良易產生發熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發電機定子、大型變壓器、鍋爐等設施的發熱點進行全天候的在線監測，及時發現和處理設備隱患，對實現故障的早期預測和報警，保障設備安全和降低電網風險具有重大意義。

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作者簡介： 張欣（1984-），男，天津塘沽人，本科，工程師，主要從事：變電設備技術監督及在線監測技術研究。