熒光光纖測溫火災監控系統在高壓開關柜中的應用

洪衛棟

(榆林市消防支隊，陜西 榆林　719000)

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熒光光纖測溫火災監控系統在高壓開關柜中的應用

洪衛棟

(榆林市消防支隊，陜西 榆林719000)

介紹了目前高壓開關柜火災預警的主要方法及其優缺點，提出了一種基于熒光光纖測溫的火災監控系統，對該系統的工作原理、系統組成進行了詳細闡述，設計了其在高壓開關柜的安裝方式，并分析了該系統的技術優勢和應用前景。

火災監控；高壓開關柜；熒光光纖；溫度傳感器；在線測溫

0　引言

隨著國民經濟的不斷發展，電力行業進入了高速發展的時代，與之相對應的電力系統設備安全穩定運行也顯得尤為重要。高壓開關柜作為發電廠、變電站中的重要設備，承擔著開關電力線路、線路故障保護、監測運行電量數據等重要作用[1]。在長期運行過程中，高壓開關柜內發熱部位的溫度無法實時監測，由此最終導致火災事故的發生和大面積停電[2]。因此，及時發現開關柜過熱問題，是杜絕此類事故發生的關鍵。

1　高壓開關柜測溫現狀

高壓開關柜溫度變化是一個漸變過程，如果在溫度異常變化沒有對高壓開關柜的運行造成影響前，能夠及時發現并正確處置，就會避免由于高壓開關柜發熱而引起的停電甚至火災事故。可見，高壓開關柜的溫度實時監測非常重要，目前針對開關柜的測溫方案有以下三種：

1.1紅外測溫

紅外測溫儀由人工操作，使用比較靈活，現已成為高壓電力設備溫度檢測的一個重要手段[3]。但是紅外測溫儀體積較大，而開關柜內空間狹小，無法安裝紅外測溫探頭；其制作成本高，精度一般(與距離有關)，無法實現在線實時監測；紅外測溫為非接觸式測溫，由于遮擋其無法準確測量關鍵點處溫度；其測溫精度容易受環境影響，如光線強度、霧氣、電磁場干擾等，所以其使用范圍受到極大制約[4]。

1.2無線測溫

現有的無線測溫方案，主要采用電池或者CT給測溫芯片供電，通過無線芯片發送測溫信號[5]。這種方案雖然實現了溫度信號的無線傳輸，但屬于有源方案，電池供電需要定時更換電池，而且電池抗高溫能力較差，給電力運營帶來影響；采用CT取能，傳感器體積大，布放的位置對取能效率影響較大，缺乏普遍適應性，且存在若接頭電流較小，電能無法取出，若接頭電流較大，則容易燒壞CT直至燒壞傳感器，同時對參數選擇要求苛刻，可靠性不高[6]。

1.3光纖測溫

由于光纖傳輸系統絕緣強度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、體積小和結構簡單，特別適合于在線測量電力系統中的溫度參數。光纖式測溫儀采用光纖傳遞信號，其溫度傳感器安裝在帶電物體的表面，測溫儀與溫度傳感器間用光纖連接。光纖測溫分為分布式光纖測溫、光纖光柵和熒光光纖測溫等多種方式，其中熒光光纖測溫方式優勢最為明顯[7]，其壽命長，無需標定，探頭尺寸小易于安裝，美國熒光光纖測量電氣設備溫度的應用已經超過20年，其中不乏在500 kV變壓器繞組這樣要求極高的環境中使用的產品，事實證明安全可靠。

綜上所述，對于發電廠、變電所的電氣設備測溫，熒光光纖測溫技術具有明顯優勢。相比紅外測溫，可實現在線監測，精度高；相比無線測溫，不受電磁干擾，體積小，壽命長。

2　熒光光纖測溫火災監控系統組成與工作原理

熒光光纖測溫儀由顯示儀表、溫度解調儀、熒光光纖傳感探頭組成。如圖1所示，測量點為高壓開關柜的靜觸頭。將光纖探頭安裝到開關柜的靜觸頭后，溫度信息通過光纖傳輸到解調儀被計算出來，并提供顯示功能，可實現開關柜觸點在線溫度監測。圖2為熒光光纖測溫火災監控系統示意圖。

圖1　熒光光纖測溫系統安裝示意圖

圖2　熒光光纖測溫火災監控系統示意圖

熒光光纖測溫的原理：脈沖激光通過光纖傳輸到傳感器探頭，由于溫度的不同，傳感器探頭產生的熒光信號不同，通過光纖將熒光信號傳輸到接收系統，經過處理、運算，獲得溫度值，如圖3所示。該測溫方法的優點是被測目標的溫度是材料發出熒光壽命的單值函數，與系統的其他變量無關。即光源強度的變化、傳輸損耗、光耦合效率等都不影響測量的準確性，因此相對于其他測溫方法具有互換性高、穩定性好、無需標定、壽命長等優點。

圖3　熒光光纖測溫原理圖

3　安裝設計與應用

對于在開關柜觸頭上的安裝，發熱點主要位于靜觸頭和動觸頭的接合部位，但此部位處于絕緣套筒的保護之下，里面的空間非常狹小。為了更準確的測量觸頭的發熱溫度，將光纖探頭的尺寸設計為2.3 mm，從套筒后部沿匯流排伸入套筒內部，并設置耐高溫、高絕緣的安裝卡箍，可以將傳感探頭牢牢的固定在靜觸頭上。用卡箍先將傳感器探頭固定在傳感器固定槽里，然后把卡箍連同傳感器探頭一起卡到靜觸頭的圓柱體上，如圖4所示。安裝時把卡箍安裝在靜觸頭與匯流排的接合部位，與動觸頭保持安全距離。在條件允許的情況下也可以在靜觸頭上做相應的凹槽或者打洞，直接膠接的方式進行安裝。

圖4　探頭在觸頭上的安裝

對于在開關柜電纜接頭處的安裝，采用專用航空硅膠將傳感器粘貼在電纜接頭處后采用專用扎帶捆綁固定。完成傳感器的安裝后，用絕緣扎帶將尾纖扎在與靜觸頭后部連接的銅排上，以防止萬一傳感器脫落時搭到相鄰的觸點上。光纖傳感器的尾纖護套設計用高絕緣、耐腐蝕的聚四氟乙烯制作而成，具有高絕緣、耐腐蝕、防塵、防污染、防爬電等性能。為了不影響柜內電氣分布以及日后對柜內檢修，柜內尾纖要盡量沿柜體角落走線，也可以走專用的線槽或是與柜內二次線路捆扎在一起。從監控室到現場環網柜的通信光纜均走弱電橋架，并根據現場情況布設PVC管或鋼管。

該熒光光纖測溫系統在12 kV智能化開關進行了測試，測試時的環境溫度為18.8 ℃，并與傳統方式(熱電偶)進行了比對測試，分別對開關柜的手車上下插頭共6路溫度數據進行監控和記錄，測試結果如表1所示，結果表明：采用熒光光纖在線測溫系統，不但能滿足系統的絕緣要求，而且還能如實準確的反映關鍵點的溫度，達到良好的性能要求[8]。

表1　測試數據

熒光光纖測溫火災監控系統具有實時監測功能，一旦開關柜監測點溫度過高，其能及時識別并立即報警，給工作人員留出足夠的時間采取措施降低開關柜溫度，保證電力生產的正常運行，避免火災事故的發生和大面積停電，延長開關柜使用壽命。

4　結論與展望

本文對比了幾種電力設備溫度監測技術，介紹了熒光光纖測溫儀在開關柜的安裝。實際應用表明，熒光光纖測溫儀對開關柜火災探測報警性能水平產生了質的提高。本設計研究有效克服了開關柜在運行過程中實時準確測溫的困難，極大提高了應用該技術提高火災預警、消除火災危險的能力。同時，該熒光光纖測溫火災監控系統也可應用在其他需要實時監控溫度變化的火災危險場所，以實現火災的實時預警，提高場所的火災防控能力。

[1] 丁道振.基于ZigBee的高壓開關柜觸頭溫度在線監測系統研究[D].廈門:集美大學,2013.

[2] 文江林，潘曉蘇，林應文.基于光纖熒光的電力設備溫升在線監測系統研究[J].沈陽工業大學學報，2005,27(4):435-438.

[3] 史麗萍，陳志杰，侯運.基于紅外傳輸的無線測溫系統的設計[J].工況自動化,2010(8):23-25.

[4] 丁浩臣.遠紅外開關柜測溫裝置設計[J].電工技術，2008(9):54-55.

[5] 金振東，許篇，金峰，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(12):57-61.

[6] 龔貽文,譚冰,劉文.聲表面波無線無源溫度傳感系統[J].電氣技術,2010(11):101-104.

[7] 王玉田，胡俏麗，石軍彥.基于熒光機理的光纖溫度測量儀[J].光學學報,2010,30(3):655-659.

[8] 康利軍,樊維濤,朱香平,等.熒光光纖測溫技術在電力設備中的應用[J].中國電業(技術版),2014(7):23-25.

(責任編輯馬龍)

On the Application of Fluorescence Fiber-optic Temperature Fire Monitoring System in the High Voltage Switchgear

HONG Weidong

(YulinMunicipalFireBrigade,ShanxiProvince719000,China)

According to the current methods as well as their advantages and disadvantages of switchgear fire warning, this paper proposes a fluorescence optical fiber temperature measuring type electric fire monitoring system, explains the working principle of the system whose compositions, the design of several high voltage switchgear installations are introduced in detail, and the advantage and application technology of the system analyzed.

fire monitoring system; high voltage switchgear; fluorescence fiber-optic; temperature sensor; online measuring temperature

2016-03-26

洪衛棟(1979—)，男，江西吉安人，助理工程師。

TN253; D631.6

A

1008-2077(2016)06-0020-03