基于閾值預(yù)警功能的高壓開關(guān)柜光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

劉勇求，王文斌

(1.廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 東莞 523083;2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051)

基于閾值預(yù)警功能的高壓開關(guān)柜光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

劉勇求1，王文斌2

(1.廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 東莞 523083;2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051)

針對(duì)開關(guān)柜觸點(diǎn)發(fā)熱嚴(yán)重及溫度難以精確檢測(cè)的問題，對(duì)目前常用的測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，開發(fā)了基于閾值預(yù)警功能的高壓開關(guān)柜光纖測(cè)溫與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智能診斷與預(yù)警模塊為核心，在實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)點(diǎn)溫度的同時(shí)，將檢測(cè)結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，當(dāng)觸點(diǎn)溫度及其變化趨勢(shì)接近或超過預(yù)警閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警示。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)溫精度高，能有效用于開關(guān)柜內(nèi)部溫度的在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，對(duì)工作人員實(shí)時(shí)掌握開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患，保證開關(guān)柜安全運(yùn)行提供依據(jù)。

開關(guān)柜； 預(yù)警； 光纖光柵； 在線測(cè)溫

0 引 言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，高壓開關(guān)柜已成為變電站重要的電力設(shè)備，擔(dān)負(fù)著開斷電流、分配電能的作用。由于開關(guān)柜內(nèi)部空間狹小且封閉，隨著用電負(fù)荷的不斷加大，開關(guān)柜各接頭、觸點(diǎn)等部位的發(fā)熱問題日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變電站設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的缺陷，與溫度有關(guān)的占了80%以上，直接影響了變電站的正常運(yùn)行和用戶的可靠供電，這就需要對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警[1-2]。傳統(tǒng)測(cè)溫方法是采用人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，作業(yè)難度大，工作效率低，已不適用于工程實(shí)際要求，因此設(shè)計(jì)一種有效的在線自動(dòng)測(cè)溫與預(yù)警系統(tǒng)是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

目前應(yīng)用于開關(guān)柜的測(cè)溫技術(shù)主要包括紅外測(cè)溫、無線測(cè)溫以及光纖測(cè)溫技術(shù)等。紅外測(cè)溫是利用不同溫度產(chǎn)生不同紅外輻射的原理，通過紅外熱像儀采集測(cè)點(diǎn)的熱紅外輻射，通過其內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)換算得到被測(cè)目標(biāo)的溫度值[3]。無線測(cè)溫技術(shù)是將無線溫度傳感模塊直接安裝在需要測(cè)溫的部位，數(shù)據(jù)接收器放置在距離開關(guān)柜體一定距離的地方，兩者通過無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸[4-5]。光纖測(cè)溫技術(shù)是將光源發(fā)出的光經(jīng)調(diào)制后，通過光纖到達(dá)傳感器，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波采樣和分析，通過光學(xué)特性的變化，測(cè)出每一個(gè)傳感器的溫度[6-7]。

各測(cè)溫技術(shù)都具有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，鑒于本研究重點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部溫度的在線監(jiān)控，并希望得到比較精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而光纖光柵傳感器具有測(cè)量精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可靠性好，布設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此采用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)溫，設(shè)計(jì)基于閾值預(yù)警功能的高壓開關(guān)柜光纖測(cè)溫與預(yù)警系統(tǒng)。同時(shí)，為檢驗(yàn)光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的有效性，根據(jù)某變電站的實(shí)際需求情況，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

1 光纖傳感測(cè)溫技術(shù)分析

1.1強(qiáng)度調(diào)制型傳感器測(cè)溫原理

強(qiáng)度調(diào)制型傳感器是一種利用測(cè)點(diǎn)溫度的變化使光波的折射率等參數(shù)發(fā)生改變，引起光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的傳感器。圖1中，當(dāng)開關(guān)柜測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)生變化時(shí)，雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形，帶動(dòng)遮光片在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，使光纖中光通量改變，達(dá)到調(diào)制光強(qiáng)度的目的[8-9]。

圖1 強(qiáng)度調(diào)制型傳感器測(cè)溫原理

根據(jù)檢測(cè)得到的不同電流值，可推導(dǎo)出光通量的大小及遮光片的位移，最后轉(zhuǎn)換成被測(cè)物體的實(shí)時(shí)溫度。光纖中光通量密度可表示為：

(1)

式中：I0為光纖中的光強(qiáng)度；β為光纖折射率分布系數(shù)；r為光纖纖芯半徑；μ為光強(qiáng)調(diào)制參數(shù)；α為光纖的最大出射角。

1.2波長(zhǎng)調(diào)制測(cè)溫原理

利用濾波等技術(shù)使光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，并通過波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系推導(dǎo)出實(shí)際溫度值，這類調(diào)制方式稱為光波長(zhǎng)調(diào)制。把周期小于1 μm的周期光纖光柵稱為布拉格光柵(FBG)，光波進(jìn)入布拉格光柵后，滿足FBG條件的光波產(chǎn)生反射，入射光被分成兩部分，從而實(shí)現(xiàn)按波長(zhǎng)大小對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，如圖2所示[10-11]。溫度的變化使光纖的有效折射率及調(diào)制周期發(fā)生變化，引起光柵波長(zhǎng)的漂移，根據(jù)漂移的大小就可以推導(dǎo)出被測(cè)點(diǎn)的溫度。

圖2 光纖光柵測(cè)溫原理

光纖光柵中心波長(zhǎng)，

λB=2neΛ

(2)

式中：ne為光柵的有效折射率；Λ為光柵周期。

波長(zhǎng)與溫度變化的關(guān)系為：

ΔλB=λB(α+β)ΔT

(3)

式中：ΔT為溫度的變化量；α為光纖的熱膨脹系數(shù)；β為光纖的熱光系數(shù)；ΔλB為波長(zhǎng)的變化量。

根據(jù)式(3)可以得到被測(cè)點(diǎn)溫度的變化與光纖中心波長(zhǎng)之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 溫度變化與光柵中心波長(zhǎng)的關(guān)系曲線

2 高壓開關(guān)柜在線測(cè)溫與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合需求分析和實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]，主要包括數(shù)據(jù)采集層、站內(nèi)監(jiān)測(cè)層以及應(yīng)用管理層，如圖4所示。其中：① 數(shù)據(jù)采集層主要完成對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度的采集和傳遞，包括光纖傳感器和光分路盒。② 站內(nèi)監(jiān)測(cè)層主要完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、診斷預(yù)警等，滿足工作人員對(duì)開關(guān)柜測(cè)點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)在線查看，由上位機(jī)組成。③ 應(yīng)用管理層主要面向遠(yuǎn)程管理人員，使其能查看監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)中監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

2.2功能模塊

終端軟件是人機(jī)交互的平臺(tái)，是用戶訪問管理數(shù)據(jù)庫(kù)的窗口，在整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置錄入和系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)采用Windows作為操作平臺(tái)，后臺(tái)使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)語言，具體可分為以下幾個(gè)功能模塊：用戶管理、實(shí)時(shí)溫度顯示、智能診斷與預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、電子地圖等。

主要模塊的功能：① 溫度實(shí)時(shí)顯示。通過光纖傳感器對(duì)各測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度的在線檢測(cè)。② 智能診斷與預(yù)警。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的溫度或溫度變化率超過規(guī)定值時(shí)，發(fā)出警告信號(hào)。③ 歷史數(shù)據(jù)查詢。以圖表或曲線的形式向用戶提供歷史信息。④ 電子地圖。用電子地圖的形式顯示各測(cè)點(diǎn)位置，便于更加直觀地查找故障點(diǎn)。

2.3溫升預(yù)測(cè)

本系統(tǒng)可以智能診斷，根據(jù)開關(guān)柜的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果為用戶提供預(yù)警功能，是在線測(cè)溫系統(tǒng)的核心模塊。其原理是將檢測(cè)到的溫度與預(yù)設(shè)的預(yù)警值實(shí)時(shí)對(duì)比，并和數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)當(dāng)前溫度和溫度變化趨勢(shì)分析未來溫度走勢(shì)。當(dāng)分析結(jié)果接近或超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警示信息，以便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)該設(shè)備存在的安全隱患。

引入溫度預(yù)警閾值H，以此代表測(cè)溫點(diǎn)的溫升程度，反映該點(diǎn)工作是否正常，利用最小二乘法建立溫升預(yù)警模型，其表達(dá)式為[13-15]：

H=μ(ΔT′-ΔT)+e(T0-Tm)

(4)

式中：μ為溫度安全系數(shù)；T0為觸點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度；Tm為溫度設(shè)定值；ΔT為溫度變化率預(yù)測(cè)值； ΔT′為溫度變化率實(shí)測(cè)值。

規(guī)定預(yù)警模型滿足如下規(guī)則：利用預(yù)警模型將測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行變換，得到各時(shí)刻的預(yù)警閾值H，當(dāng)H<1時(shí)，代表觸點(diǎn)溫度正常，工作狀態(tài)良好；H趨近或大于1時(shí)，代表觸點(diǎn)溫度過高，或有溫度超標(biāo)趨勢(shì)，這樣就可根據(jù)H大小預(yù)測(cè)開關(guān)柜的工作狀態(tài)。

溫度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 溫升閾值預(yù)警實(shí)現(xiàn)流程

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

以某變電站為測(cè)試對(duì)象，根據(jù)開關(guān)柜實(shí)際配置情況，取4臺(tái)開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，每個(gè)開關(guān)柜設(shè)3個(gè)光纖傳感器，傳感器柵區(qū)長(zhǎng)度10 mm，反射率>90%，傳感器安裝方式如圖6所示。

為了驗(yàn)證光纖傳感器測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的實(shí)用性，采用人工使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量觸點(diǎn)的溫度，并與光纖傳感器測(cè)量的溫度值進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如圖7、8所示。

圖6 光纖傳感器安裝

圖7 溫度對(duì)比結(jié)果

圖8 溫差曲線

結(jié)果顯示：光纖光柵測(cè)溫值與人工紅外測(cè)溫值非常接近，最大誤差的絕對(duì)值僅為0.5 ℃左右。可見，采用光纖光柵傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)能很好地反映開關(guān)柜各觸點(diǎn)的實(shí)際溫度，滿足設(shè)計(jì)需求。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)10號(hào)光纖傳感器采集到的溫度較高，為驗(yàn)證預(yù)警模型的準(zhǔn)確性以及智能診斷的有效性，設(shè)定預(yù)警溫度為40 ℃，并對(duì)該點(diǎn)溫度進(jìn)行一段時(shí)間的跟蹤采集，得到溫升預(yù)警曲線，結(jié)果如圖9所示。

圖9 溫升預(yù)警測(cè)試曲線

在采集過程中，發(fā)現(xiàn)10號(hào)光纖傳感器在某時(shí)刻的預(yù)警閾值H接近并超過1，代表此過程中測(cè)點(diǎn)的溫度接近并超過了40 ℃，即該點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度超過了安全范圍，和測(cè)試結(jié)果一致。此時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出告警提示，提醒工作人員出現(xiàn)了不安全狀況。測(cè)試結(jié)果表明，所建立的預(yù)警機(jī)制合理，模型正確，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜觸點(diǎn)溫度異常升高的提前預(yù)警。

4 結(jié) 語

隨著用電負(fù)荷的不斷增加，高壓開關(guān)柜觸點(diǎn)溫度過熱問題日趨嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)其溫度的在線檢測(cè)和故障預(yù)警是開關(guān)柜應(yīng)用和發(fā)展的趨勢(shì)。本研究綜合分析了目前各類測(cè)溫技術(shù)的特點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了基于閾值預(yù)警功能的高壓開關(guān)柜光纖測(cè)溫與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還能為用戶提供溫度走勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)測(cè)溫精度高，能有效用于開關(guān)柜內(nèi)部溫度的在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，滿足設(shè)計(jì)需求，對(duì)工作人員實(shí)時(shí)掌握開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患，減少事故的發(fā)生，保證高壓開關(guān)柜及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

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Design and Test of High Voltage Switch Cabinet Optical Fiber Temperature Measurement System Based on Threshold Warning Function

LIUYongqiu1，WANGWenbin2

(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering， Guangdong University of Science & Technology， Dongguan 523083，Guangdong,China； 2.Yalong River Hydropower Development Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China)

The switchgear is important for power equipment in substation,switch cabinet contact and serious heating temperature are difficult to be accurately detected.After comparison and analysis of the current commonly used temperature measurement technology,the paper designs a high voltage switch cabinet and warning system with threshold warning function based on optical fiber temperature measurement.In the system,intelligent diagnosis and early warning module is the core,the measured point temperature is detected,at the same time,the detection results are compared with historical data.When the contact temperature and its variation are close to or exceed the warning thresholds,the system will automatically alarm.The test results show that the system has high temperature measurement accuracy,can be used for on-line monitoring and early warning switch cabinet temperature.It is helpful for staff to control the real-time operating state of the switch cabinet,timely detect and treat hidden fault,hence it provides a basis for the safe operation of switchgear.

switch cabinet; early warning; fiber grating; on-line temperature measurement

2016-10-08

廣東高校省級(jí)重點(diǎn)平臺(tái)和重大科研項(xiàng)目(2015KQNCX191)；廣東省高等職業(yè)技術(shù)教育研究會(huì)2016年立項(xiàng)課題(GDGZ16Y142)

劉勇求(1980-)，女，湖南湘潭人，講師，現(xiàn)主要從事智能控制研究。Tel.:13580784886；E-mail:2694229829@qq.com

TM 591

：A

1006-7167(2017)07-0068-04