FBG無線測溫系統在干式空心電抗器監測中的應用

郭小兵，束洪春，朱　濤，譚向宇，王　巖，李佳奇（.昆明理工大學，云南昆明6507；.云南電網公司研究生工作站，云南昆明650500；.云南電力調度控制中心，云南昆明6500）

FBG無線測溫系統在干式空心電抗器監測中的應用

郭小兵1，2，束洪春1，朱濤3，譚向宇2，王巖1，2，李佳奇1，2
（1.昆明理工大學，云南昆明650217；2.云南電網公司研究生工作站，云南昆明650500；3.云南電力調度控制中心，云南昆明650011）

利用光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器設計出一種無線測溫系統。經過現場實驗得到了電抗器測量包封層6 h溫度變化曲線。結果表明：該系統能夠全方位地反映內部溫度分布情況，判斷溫度變化趨勢和確定異常溫度點的具體位置，為及時發現故障和保證電抗器穩定可靠運行提供了重要參考。

光纖Bragg光柵傳感器；無線測溫系統；干式空心電抗器

0　引言

電抗器在電力系統中廣泛應用，其主要作用是限制短路電流或限制電網中的高次諧波，對電網起到重要的保護作用。然而，電抗器絕緣材料長期在高溫、強電磁場的作用下其強度會逐漸變弱，絕緣性能降低。電抗器繞組的溫升是絕緣性能最主要的指標之一［1，2］。因此，對電抗器運行過程中繞組溫度的監測是確保電抗器壽命，預防由于材料老化導致事故的有效措施。以前電抗器現場運行時僅能通過紅外測溫儀測量電抗器最外層的溫度，并不能準確可靠地監測到電抗器風道內的實際溫度，不能發現電抗器內部早期過熱的情況，難以及時采取有效的運維措施［3～5］。

本文設計了無線測溫系統，從工程實際出發將無線光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器按照預埋方案安裝到電抗器包封內壁，實現溫度的實時在線監測。

1　基于FBG傳感器的無線測溫系統

1.1FBG溫度傳感器結構

本文設計的FBG溫度傳感器由光纖光柵、陶瓷套管和一端引出部分與耦合器或解調儀相連。其中，測溫光柵一端與光纖相連固定在陶瓷套管上，而另一端自由懸空以保證該傳感器僅受溫度影響，具體結構參見圖1［6，7］。

圖1　FBG溫度傳感器結構Fig 1　Structure of FBG temperature sensor

1.2無線測溫系統組成

無線測溫系統由電池、FBG溫度傳感器、控制電路和天線四個部分組成，系統組成示意圖如圖2所示。無線溫度傳感器的單片微處理器將被測設備溫度由溫度傳感器轉換成數字信號，再通過無線發射接收模塊傳遞至讀寫器，微處理器將采集到的溫度信息通過RS—485通信模塊上傳到PC。

圖2　無線測溫系統組成示意圖Fig 2　Composition diagram of wireless temperature measurement system

2　電抗器實測的傳感器位置分布

2.1溫度傳感器軸向分布

在軸向上，氣流從底部進入氣道后吸收包封散出的熱量，氣體溫度升高，在包封上部氣體溫度較高致使上部包封熱量散出困難。結合以往事故經驗和廠家提供的熱點位置，電抗器的熱點溫度一般在距上端40～50 cm處，一般靠近出線端，散熱效果與海拔有關。依據本型號電抗器熱點位置分布，在電抗器的從里向外數的溫度較高包封層（1，3，5，6，7，9，11）外壁上沿高度方向裝設10只溫度傳感器。由于軸向長度較大，在3，5，7包封的不同軸向高度上安裝了2只傳感器，目的是普測包封上下部的溫度分布，傳感器軸向分布如圖3所示。

圖3　傳感器軸向分布圖Fig 3　Axial distribution of sensor

2.2溫度傳感器幅向分布

預埋溫度傳感器在電抗器包封中上部400 mm（自上到下，線圈本體高度為1 900 mm），預埋兩點（以下端子為基準）順時針成22.5°和67.5°位置（見圖4），預埋點位置盡量放在相鄰2根通風條中間位置。

圖4　傳感器幅向分布Fig 4　Amplitude distribution of sensor

根據上面的傳感器軸向和幅向分布方案，采用專用工具將無線傳感器涂灰色絕緣膠5mm粘附于包封見通道中。安裝完成示意圖如下圖5所示。

3　實驗結果數據分析

3.1電抗器實驗參數

本實驗選取的電抗器參數為：額定電壓35 kV；額定電流990 A；容量20000 kvar。在電抗器兩端加最高運行電壓23.45 KV，最高運行電流1135A，連續加壓6h，最后斷電2h小時，觀察干式空心電抗器包封層在其溫升過程中的溫度變化情況。干式空心電抗器溫升實驗電壓與電流示意圖如圖6所示。

圖5　傳感器安裝完成示意圖Fig 5　Diagram of sensor after installation is completed

圖6　溫升實驗電壓與電流示意圖Fig 6　Voltage and current of temperature rise experiment

3.2溫度傳感器數據分析

測溫系統采樣間隔時間最小默認1 s，由于本實驗的持續時間較長，故每間隔15 min抽取一個溫度的平均值。圖7為整個實驗過程中10只溫度傳感器采集的溫度值變化情況。

從圖7可以看出來，無線測溫系統中各傳感器工作正常，測量數據準確穩定。在持續加壓的過程中，干式空心電抗器的包封層從外到里溫度逐次增加，在斷電以后，從內向外溫度的降低幅度逐漸增大，說明內層包封的運行環境更為惡劣，更易發生絕緣老化現象。在第3，5，7包封層軸向下部的溫度略高于上部的溫度，說明在同一包封層中上部為絕緣薄弱處。

4　結論

相比于紅外測溫儀只能監測電抗器外表面溫度，使用范圍局限，很難監測干抗內部實際溫度的情況。無線測溫系統安裝簡便，能全方位地反映內部溫度分布情況，能提取溫度曲線，判斷溫度變化趨勢，確定異常溫度點的具體位置，為及時發現故障和保證電抗器穩定可靠運行提供了重要參考。

［1］劉海瑩，魏賓.干式空心電抗器的運行分析及故障處理［J］.高壓電器，2004，40（3）：239-240.

［2］何東平，孫白.35 kV干式空芯并聯電抗器運行情況及故障電抗器的解剖分析［J］.電力設備，2004，5（2）：48-51.

［3］王海倫，蔡志宏，范一鳴.電氣設備溫度監測的無線傳感器網絡節點設計［J］.傳感器與微系統，2011，30（7）：97-99.

圖7　各包封層的溫度曲線Fig 7　Temperature curve of each package layer

［4］李愛群，周廣東.光纖Bragg光纖傳感器測試技術研究進展與展望［J］.東南大學學報：自然科學版，2009，39（6）：1298-1306.

［5］Erdogan T.Fiber grating spectra［J］.Journal of Lightwave Technology，1997，15（8）：1277-1294.

［6］李川，孫宇.分離應變和溫度的差動式光纖Bragg光柵傳感器［J］.儀器儀表學報，2004（3）：53-54.

［7］魏鵬，李麗君，郭俊強.光纖Bragg光柵應力傳感巾溫度交叉敏感問題研究［J］.應用光學，2008，29（1）：105-109.

Application of FBG wireless temperature measurement system in monitoring of dry type air-core reactor

LI Jia-qi1，2，GUO Xiao-bing1，2，SHU Hong-chun1，ZHU Tao3，TAN Xiang-yu2，WANG Yan1，2
（1.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650217，China；2.Graduate Workstation，Yunnan Power Grid Company，Kunming 650500，China；3.Yunnan Electric Power Dispatching Control Center，Kunming 650217，China）

Aiming at difficult problem of reactor temperature detection，a kind of wireless temperature measurement system is designed by using fiber Bragg grating（FBG）temperature sensor.Temperature change curve of reactor wrappage for 6 h is obtained by experiment.The results show that the system can fully reflect internal temperature distribution，judge trend of temperature change and determine specific location of abnormal temperature point，provide important reference for the timely detection of failures and to ensure stable and reliable operation of the reactor.

FBG sensor；wireless temperature measurement system；dry type air-core reactor

TH741

A

1000—9787（2016）05—0149—02

2015—09—15

聚四氟乙烯組裝而成的，傳感器一端的光纖放置在聚四氟

乙烯套管中，并采用環氧樹脂封裝在陶瓷套管內，而光纖另

郭小兵（1988-），男，四川樂山人，碩士研究生，研究方向為電力系統自動化。