高壓觸點(diǎn)光纖測(cè)溫技術(shù)

馮驛棋

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

高壓觸點(diǎn)光纖測(cè)溫技術(shù)

馮驛棋

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

本文介紹了各種高壓電氣測(cè)溫方式,著重說(shuō)明了光纖式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)及局限性。

溫度 光纖 高壓

1 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

電力系統(tǒng)正向著大電網(wǎng)高可靠性、高自動(dòng)化水平的方向迅猛發(fā)展。對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化、智能化的監(jiān)控水平已成為國(guó)內(nèi)外高度重視的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著社會(huì)用電量的日益增加,承載著大負(fù)荷輸送任務(wù)的高壓電氣設(shè)備如變壓器、互感器、高壓開(kāi)關(guān)柜、室外刀閘等電力負(fù)載也在迅速增加。電網(wǎng)中眾多高壓電氣設(shè)備本身、設(shè)備之間的聯(lián)接點(diǎn)是電力輸送最薄弱環(huán)節(jié),這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)的實(shí)質(zhì)問(wèn)題就是聯(lián)接點(diǎn)發(fā)熱。隨著負(fù)荷的增大,導(dǎo)致聯(lián)接點(diǎn)發(fā)熱并形成惡性循環(huán):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(tǒng)不惜人力、財(cái)力,采取多種措施監(jiān)測(cè)高壓聯(lián)接點(diǎn)的溫升。據(jù)國(guó)家電力安全事故通報(bào)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年僅發(fā)生在電站的電力事故,40%是由高壓電氣設(shè)備過(guò)熱所致。為避免出現(xiàn)連接點(diǎn)溫升過(guò)高,甚至燒毀造成停電事故,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高壓電器的主回路電阻和溫升做了具體要求和規(guī)定,但對(duì)于運(yùn)行中的高壓電器接點(diǎn)溫度如何進(jìn)行有效地在線檢測(cè)尚無(wú)具體要求。因此監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備聯(lián)接點(diǎn)溫升是杜絕此類(lèi)事故發(fā)生的關(guān)鍵,實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。

目前高壓設(shè)備測(cè)溫方式有以下幾種:

(1)分布式光纖測(cè)溫；

(2)紅外測(cè)溫法；

(3)無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)溫裝置。

圖1 光纖式測(cè)溫裝置原理框圖(傳感器部分)

圖2 光纖式測(cè)溫裝置原理框圖(主機(jī)部分)

為預(yù)防和避免事故的發(fā)生,開(kāi)發(fā)一種可靠、實(shí)用、方便的觸點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)裝置顯得非常必要。該裝置不僅對(duì)高壓帶電設(shè)備的各種聯(lián)接點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)控,確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行,而且還可以對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存,為設(shè)備狀態(tài)檢修提供重要的依據(jù)。

2 高壓線路測(cè)溫方式優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 分布式光纖測(cè)溫

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)DTS是基于光纖拉曼(Raman)散射現(xiàn)象。激光器光源發(fā)出的光脈沖與光纖分子相互作用,發(fā)生散射,散射光有多種類(lèi)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(dòng)相關(guān)聯(lián)的,因而對(duì)溫度有敏感,可以用來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。在光纖中,散射信號(hào)是連續(xù)的,通過(guò)使用高速信號(hào)采集技術(shù)測(cè)量入射光和拉曼散射光之間的時(shí)間間隔,可以得到拉曼散射光發(fā)生的位置,由于拉曼散射光對(duì)溫度敏感,所以可以沿著 光纖測(cè)量到相應(yīng)的溫度分布。

分布式光纖測(cè)溫距離遠(yuǎn),數(shù)據(jù)量大,適合電纜測(cè)溫。但分布式光纖數(shù)據(jù)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(cè)溫法

表1

圖3 試驗(yàn)變壓器

利用光學(xué)設(shè)備聚焦于待測(cè)設(shè)備的觸點(diǎn),根據(jù)設(shè)備觸點(diǎn)在不同溫度下紅外輻射率不同的遠(yuǎn)離,采集該測(cè)點(diǎn)表面熱能量的紅外輻射,經(jīng)過(guò)紅外鏡頭聚焦,將待測(cè)點(diǎn)的紅外輻射送至紅外探測(cè)器,從而測(cè)得被測(cè)點(diǎn)的溫度。

該方法通過(guò)凸透鏡直接接受測(cè)量點(diǎn)發(fā)出的遠(yuǎn)紅外波,接收器可以遠(yuǎn)離測(cè)量點(diǎn),解決了高壓格力以及傳感器環(huán)境溫度高的問(wèn)題。但由于被監(jiān)視的個(gè)高壓電器設(shè)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(dǎo)致紅外輻射路徑不同及大氣衰減等因素都會(huì)影響測(cè)溫的精度,因而紅外測(cè)溫發(fā)的穩(wěn)定性較差。雖然較好的紅外測(cè)溫設(shè)備和熟練人員側(cè)操作下也能大概測(cè)出高壓帶電設(shè)備的溫度,但只能測(cè)量在直線可視范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)溫度,這是紅外測(cè)溫法的致命弱點(diǎn)。而且紅外測(cè)溫儀逐點(diǎn)測(cè)溫的方法必須避開(kāi)太陽(yáng)光的背景干擾,一般需要在夜間或陰雨天到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),測(cè)量誤差較大,還需要大量的人力物力。

另外紅外測(cè)溫成本較高,如果研發(fā)在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品,價(jià)格會(huì)比較高。最終形成產(chǎn)品后市場(chǎng)前景不被看好。

圖4 傳感器安裝

圖5 傳感器安裝

2.3 無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)溫裝置

無(wú)線測(cè)溫傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度信息,將溫度信息通過(guò)2．4G射頻方式傳輸至數(shù)據(jù)接收單元,數(shù)據(jù)接收單元可以同時(shí)管理多個(gè)無(wú)線測(cè)溫傳感器。數(shù)據(jù)接收單元將數(shù)據(jù)整理并暫存,由主機(jī)通過(guò)通用的通訊協(xié)議來(lái)讀取傳感器數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)所有傳感器的監(jiān)測(cè)。該方法優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)射頻的方式傳輸數(shù)據(jù),解決了電位不平衡給測(cè)量帶來(lái)的障礙。其次,通過(guò)1主多從的方式管理傳感器,降低了設(shè)備使用成本。由于無(wú)線測(cè)溫傳感器體積較小,可以安裝在任意狹小的位置。

但無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸有其不確定性,受環(huán)境干擾較多,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)傳輸。

3 光纖式測(cè)溫裝置的研發(fā)及應(yīng)用

光纖式溫度傳感器用于測(cè)量帶電物體表面的溫度,如高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的裸露點(diǎn)和母線連接處的運(yùn)行溫度。

光纖式測(cè)溫裝置原理:使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體測(cè)溫材料,傳統(tǒng)測(cè)溫原理具有低成本、低功耗、高精度等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合目前最先進(jìn)的單片機(jī)低功耗技術(shù),使得傳感器本身功耗極低,待機(jī)功耗僅為8uA,新技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)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(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系(理論值)。

根據(jù)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(shè)備更新,所以本測(cè)溫傳感器體積可以做的比較小。

傳感器采用光傳輸信號(hào),光通訊優(yōu)點(diǎn)是高效、可靠并且無(wú)電氣連接。本方法采用光作為數(shù)據(jù)通訊媒介徹底切斷了高電壓與設(shè)備之間的電氣連接,解決了電位不平衡給測(cè)量帶來(lái)的障礙如圖1、圖2、圖3所示）。

傳感器生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試,完全可以做到直接互換,為系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)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(jiǎn)單,即使無(wú)該產(chǎn)品的安裝經(jīng)驗(yàn)也同樣可以根據(jù)指導(dǎo)書(shū)快速安裝。

數(shù)據(jù)接收及存儲(chǔ)部分采用高性能32位微處理器作為中央控制單元。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用鐵電存儲(chǔ)器,該技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)EEP存儲(chǔ),具有速度快、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示部分采用彩色液晶產(chǎn)品。

光纖式測(cè)溫裝置裝置在高壓試驗(yàn)變壓器做耐壓試驗(yàn)電壓等級(jí)達(dá)到350kV,測(cè)量數(shù)據(jù)仍正常,從而驗(yàn)證了光纖式測(cè)溫裝置的絕緣耐壓水平可以安全工作在電壓等級(jí)在220kV以下的線路上。

光纖式測(cè)溫裝置應(yīng)用實(shí)例:基于光纖式測(cè)溫裝置的測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)成功在東麗化工安裝運(yùn)行,如圖4、5所示。

安裝至今,系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行近一年,期間準(zhǔn)確定位一次線路高溫,經(jīng)停運(yùn)檢修,確認(rèn)缺陷為設(shè)備老化導(dǎo)致發(fā)熱量增加,及時(shí)消除了安全隱患,保證了站內(nèi)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所論述的光纖式測(cè)溫系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)有工況條件,成本較低,普及意義重大。該項(xiàng)目的普及將對(duì)日后各種高壓設(shè)備由于接頭溫度引起的故障提供最直接的預(yù)報(bào)。

[1]金振東 等.國(guó)內(nèi)高壓帶電設(shè)備測(cè)溫方式綜述及分析[J].電力設(shè)備,2007,(8)57-61.

[2]陳振生.智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[J]電力設(shè)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(xiàn)就讀于江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院。