應用于電力系統的現代傳感技術探討

李蘭云 河南科技學院

梁中偉 國網河南省電力公司輝縣市供電公司

一、引言

隨著現代傳感技術的發展，涌現了越來越多的新型傳感器，其中對于溫度的檢測一直是重要研究領域，尤其是在工業生產自動化流程中，溫度測量點一般要占全部測量點的一半左右。在電力系統中，現代傳感技術也發揮著必不可少的作用，例如母線的電流、電壓檢測，局部放電的在線檢測等，同樣，對于溫度的檢測也是必不可少的。

經數據統計，在電力系統中，配電盤、變壓器、電纜、高壓開關等電力設備的主要異常事故原因為：柜內螺絲松脫接觸不良及連接頭接觸面氧化，導致局部電阻變大，在負載電流過大時溫升過高，造成銅排或器具燒毀，進而導致短路甚至火災。因此，采取有效措施監測母線溫度，一直是電力系統需要解決的重要課題之一。

二、母線測溫方式分析

目前，溫度測量方法很多，一般分為兩類：（1）接觸式測溫，如熱電偶、熱電阻、集成溫度傳感器等，這類溫度傳感器結構比較簡單，價格也比較低廉，但因母線處于高電位，儀器的安裝、供電等都難以解決；（2）非接觸式測溫，如紅外溫度傳感器、超聲波溫度傳感器等，但其測量精度較低，且價格昂貴，尤其在高壓開關柜場合使用不便。

由于母線屬于高壓電氣設備，在對其進行溫度檢測時，一些常規的測溫方法很難得到應用，下面對母線溫度檢測的常用方式進行一些討論。

（一）早期測溫方式

1.采用色片，即貼感溫貼紙。色片的顏色可以隨溫度的變化而隨之發生變化，因此根據色片的顏色就可以來判讀溫度。但這種方法準確度低，可靠性差，不能進行定量測量，而且對于高壓母線觸點來說，在運行時幾乎看不見色片的顏色。

2.采用紅外溫度檢測。優點是測量范圍大，準備度高，但缺點是設備價格昂貴，并且無法檢測封閉在機柜內的高壓母線，也無法實現高壓設備和溫度在線檢測的一體化集成。

（二）光纖測溫

光纖傳感器自出現以來，以其不受電磁場干擾、高靈敏度、高精度、高速度等優點，在電流、電壓等電量，以及溫度、壓力、流量等非電量參數的測量上，都發揮了不可替代的作用。將光纖傳感器用于電力電纜的溫度監測，也有其獨特的優勢：（1）光纜能夠抵御惡劣環境的影響，可以鋪設到其他溫度傳感器難以到達的區域，并且在危險區域也能夠安全使用；（2）便于安裝和集成，在每個定義的分區內有數千個溫度測量點，可以在整個光纜長度內實時測量；（3）電磁干擾免疫；（4）使用壽命長，數十年免維護。

三、分布式光纖測溫系統

分布式光纖測溫系統利用傳感光纖進行溫度檢測，是目前可以用于解決母線溫度檢測的一種有效方式。

（一）系統原理

分布式光纖測溫系統DTS (Distribution Temperature Sensing)，分布式光纖測溫系統依據后向散射原理可以分為三種：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發展比較成熟，且有產品應用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統。

利用拉曼效應進行溫度測量，主要依據的是光纖的光時域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應。當激光脈沖入射到光纖里，在發送端得到背向散射光并進行分析，拉曼散射光的強度與溫度成正比，因此，測量散射光強度即可得到沿光纖分布的溫度，溫度點的定位可以通過測量背向散射光返回起始端的時間來確定，如圖1所示。

圖1 DTS測量原理

分布式光纖測溫系統的傳感過程為：計算機控制同步脈沖發生器產生具有一定重復頻率的脈沖，這個脈沖一方面調制脈沖激光器，使之產生一系列大功率光脈沖，另一方面向高速數據采集卡提供同步脈沖，進入數據采集狀態。光脈沖經過波分復用器的一個端口進入到傳感光纖，并在光纖中各點處產生后向散射光，返回到波分復用器中。后向散射光通過波分復用器中的薄膜干涉濾光片分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經波分復用器的另外兩個端口輸出，并分別進入到光電檢測器(APD)和放大器中進行光電轉換和放大，將信號放大到數據采集卡能夠采集的范圍上。最后由數據采集卡進行存儲和處理，用于溫度的計算。

（二）性能

1.實時性：可對被測物件溫度進行實時監控，實時顯示，達到早期預警功能。

2.分布式：分布式光纖測溫系統(DTS)為全分布式測溫，以光纖作為感溫元件外無其他任何偵測元件，偵測距離達數km，能實現被測物件全長度范圍內連續性的線形監測方式，沒有探測盲點。

3.先進性：DTS光纜分布式溫度測量系統在國內外已經被廣泛應用于電力纜線/設施安全、火災監測和管道泄漏監測，在技術上已非常成熟完善；通過采用不同的外護套材料和不同的光纜結構，探測光纜可以適應各種環境。

4.準確性：DTS系統溫度分辨率（標準差）可以達到1℃，定位精度達0.5M以下。

5.靈活性：DTS監測系統的監測是連續的溫度測量，可設置多種報警模式，如定溫報警，溫升報警，分區極大溫度報警等；可按照用戶的要求進行分區，每個分區的報警條件相互獨立。

6.擴展性：DTS系統可以連接多路光纖進行測量，根據實際需要，有1、2、4、8、12、24路可以選擇。

7.安全性：光纖本身是由石英玻璃（無定形固體結構二氧化硅SiO2化合物）組成的，完全的電絕緣；探測光纜本質安全，采用光信號，不會與動力電纜之間產生相互電磁干擾；雷電經常破壞大量的電測傳感器。光纖傳感器由于完全的電絕緣，可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。

8.免維護性：光纖的材料一般皆為石英玻璃，其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長的特性，探測光纜的使用壽命在20年以上，光纜能夠被安裝在惡劣環境條件下，能夠抵御灰塵、潮濕、腐蝕性氣體、高壓突波沖擊及電磁輻射等外界干擾。

（三）母線溫度測量

實驗證明母線槽在加載大的且變化的電流負載時將會導致熱量快速積聚，大量的熱會通過熱輻射的形式散發，而不是將電能傳遞給機器或者服務器。除了母線槽本身，接頭時不僅會造成電力浪費，還存在變成熱點的風險，是導致火災事故出現的主要因素。溫度測量是發現熱點和低效根源的關鍵，在線監測電母線溫度，實現早期的火災探測，可以有效的提高電力系統的安全性，大幅度降低損耗。

例如，韓國LG公司為超凈室的母線槽配備了分布式光纖測溫系統，該系統及時發現了母線槽的溫度異常情況，通過仔細檢查該熱點發現了異常原因：母線槽底部的接線箱蓋沒有完全固定，出現了一個5cm的間隙，導致12到18個月的絕緣惡化，以至溫度持續緩慢的上升。如果該過熱點沒有被分布式光纖測溫系統探測到（或者更糟，工人剛好接觸到該問題點），那么極有可能發生火災甚至爆炸，將對整個產品線造成極大破壞，甚至人員傷亡，DTS系統有效的阻止了這場重大事故。

某現代玻璃制造工廠企業是一家有著400年的玻璃制造和獨一無二香水容器生產歷史的家族企業，在玻璃的制造過程中，當玻璃熔化時，溫度能達到1500℃。在車間安裝DTS系統，利用光纖作為傳感器，將光纖安裝在需要監測的區域，并劃分為若干預定義的分區，并為每個分區設定合適的報警條件，使得整個安裝能夠滿足用戶的要求。總之，越來越多的企業、工廠使用DTS系統，這充分說明了該系統的有效性和廣泛應用。

四、小結

分布式光纖測溫系統集光纖傳感、光纖傳輸、光纖通信、光電控制及計算機等技術于一體，實現了電力系統運行設備的多點、實時、在線監測。該系統已在國內外電力系統中廣泛應用并得到認可，進一步完善該系統的穩定性和可靠性將使其在電力系統中的應用前景更加廣闊。