基于布拉格光柵的隔離開關觸頭在線測溫方法測評

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(1.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 610072； 2.國網四川省電力公司計量中心，四川 成都 610045)

基于布拉格光柵的隔離開關觸頭在線測溫方法測評

李晶1，周電波1，劉晉勇2

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 610072； 2.國網四川省電力公司計量中心，四川 成都 610045)

對基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫方法的準確性、安全性和實效性進行了測評，證實基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫系統(tǒng)具有體積小、結構簡單、抗干擾性好以及可用于分布式測量的優(yōu)勢，能有效監(jiān)測整個變電站隔離開關觸頭的溫度情況，提高變電站安全水平。但該方法用于隔離開關觸頭測溫缺乏相應標準和應用經驗，并且現行結構對電場分布產生畸變影響等問題，需要在以后的系統(tǒng)中進行完善和改進。

隔離開關；在線測溫；布拉格光柵；分布式測量；電場畸變

0 引 言

智能變電站的建設是智能電網發(fā)展的重要組成部分。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站要實現全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互助等高級功能。而要建設堅強的智能電網，對智能變電站的安全性和可靠性就提出了更高的要求[1-2]。在智能變電站中，應對變電設備進行整體狀態(tài)監(jiān)測，從而實現對變電站設備運行工況的實時掌握，但在目前狀態(tài)監(jiān)測技術本身可靠性還不高的客觀背景下，對監(jiān)測手段和監(jiān)測設備準確性和可靠性的評估是很有必要的。

近年來，供電負荷逐年猛增，加之維護壓力日益加大，隔離開關因安裝不良、操作以及材料質量缺陷等因素引起觸頭接觸電阻增大的情況時有發(fā)生，可能導致觸頭溫度升高甚至引發(fā)隔離開關故障[3-4]。為此，在智能變電站中，對隔離開關觸頭溫度的實時監(jiān)測非常重要，可以及時發(fā)現隔離開關存在的溫度異常情況，從而在故障發(fā)生前作出判斷，為隔離開關的維護和檢修提供依據[5-6]。

目前在電力系統(tǒng)中應用的測溫系統(tǒng)主要有電類傳感器測溫系統(tǒng)、紅外傳感器測溫系統(tǒng)以及光纖傳感器測溫系統(tǒng)。電類傳感器測溫系統(tǒng)以熱敏電阻為測溫傳感器，面對復雜電磁環(huán)境可能導致測溫可靠性及準確性變差；紅外傳感器測溫系統(tǒng)可以在遠離測溫點的地方接收遠紅外波，優(yōu)點是不存在高壓隔離問題，并且測溫系統(tǒng)結構簡單，但存在檢測點間斷、檢測范圍小以及無法實現在線測量等缺點；光纖傳感器測溫系統(tǒng)是近年來在各領域得到廣泛研究和應用的測溫系統(tǒng)，具有結構簡單、體積小以及抗干擾性好的優(yōu)點，適合在惡劣電磁環(huán)境下工作[7-9]。

在四川投運的220 kV團結和勁松智能變電站采用了基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫系統(tǒng)。光纖布拉格光柵目前鮮有應用于變電站隔離開關觸頭測溫，因此很有必要對在智能站中投入應用的測溫系統(tǒng)進行測評，目的是綜合評價其監(jiān)測效果，發(fā)現存在的問題，為進一步完善和改進測溫系統(tǒng)提供依據。

1 光纖布拉格光柵

1.1基本原理

光纖布拉格光柵是通過一種特殊紫外光源照射裸光纖而破壞光纖纖芯材料中的原子鍵而形成的，其在光纖纖芯內的折射率是呈周期性調制的，反射或透射峰的波長與光柵折射率調制周期和纖芯折射率有關。外界溫度的變化會影響光柵和纖芯的折射率，從而引起光柵反射或透射峰波長的變化。光纖布拉格光柵在1978年首次由K.O.Hill制作出，目前主要應用于通信和測量領域[10]。

光纖布拉格光柵具有非常優(yōu)良的性能，反射率高，帶寬窄可小于0.2 nm，當其滿足相位匹配條件時，入射光將被反射，峰值反射波長為

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為布拉格光柵的發(fā)射波長；Λ為光柵周期；neff為光纖材料的有效折射率。

根據式(1)，外界溫度引起的光柵中心波長變化可用式(2)表示。

(2)

由此得到中心波長隨溫度變化率為

(3)

neff和Λ是溫度T和軸向應變ε的函數，因此布拉格波長的相對變化量可以表達為

(4)

可以發(fā)現，光柵中心波長的偏移與其環(huán)境溫度的變化呈線性關系，利用該關系測量波長的變化量就可以測得溫度及其變化情況[11]。

1.2用于智能變電站的光纖光柵測溫系統(tǒng)

如圖1所示，用于四川智能變電站的基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫系統(tǒng)，采用了與電子互感器光纜相同的引下通路與方式：測溫光柵與連接光纜用金屬護套保護引至合成絕緣子上法蘭下部，連接光纜再從合成絕緣子下法蘭引出(該智能變電站的隔離開關設備用電子式互感器的合成套管替代原實心瓷絕緣支柱)。

圖1 光纖光柵測溫系統(tǒng)的安裝

測溫系統(tǒng)結構如圖2所示，測溫頭檢測隔離開關觸頭溫度并轉換為電信號后，通過電纜傳輸到熔接盒并轉換成光信號后由光纜進行傳輸，最后經過光柵解碼后由計算機接收監(jiān)測信息，從而顯示各隔離開關各相觸頭的溫度情況并依據設置進行處理。光電轉換通信技術的應用在不改變設備結構的前提下較好地解決了測溫系統(tǒng)的高壓隔離問題，使其可以更加安全穩(wěn)定地進行工作。

圖2 光纖光柵測溫系統(tǒng)結構

2 光纖光柵測溫系統(tǒng)的相關測試

2.1試驗目的和試驗依據

對基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫系統(tǒng)的準確度與響應時間等參數，在實驗室及制造廠分別進行了測試。

測試前，測溫系統(tǒng)已進行過耐壓試驗和電磁兼容試驗。其中耐壓試驗分別取250 mm、350 mm和420 mm的光纖，分別施加42 kV、55 kV和95 kV的工頻對地電壓，歷時1 min試品均無閃絡和擊穿。電磁兼容試驗中，測溫系統(tǒng)分別被施加了以下干擾：強度3 A/m的磁場干擾，接觸及空氣放電(強度±4 kV)10次的放電干擾；強度3 V/m、頻率80～2 000 MHz的射頻電磁場干擾；1 kV快速瞬變脈沖群干擾，1 kV正極性5次，負極性5次的浪涌干擾(浪涌發(fā)生器和測溫系統(tǒng)之間連線長度為1 m)。在干擾施加完畢后，測溫系統(tǒng)均能繼續(xù)正常工作。

實驗室測溫準確度與響應時間的測試在恒溫油槽中進行，系統(tǒng)測試在制造廠內整體組裝后進行，測試依據為GB/T 11022-1999《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術條件》、GB 1985-2004《交流隔離開關和接地開關》以及DL/T 486-2000《高壓交流隔離開關和接地開關訂貨技術條件》。

2.2實驗室的測試

在實驗室的恒溫油槽中進行了測溫系統(tǒng)準確度和響應時間測試，該油槽所用控制器可以將溫度的穩(wěn)定性控制在較高水平，從而為檢定光纖測溫傳感器性能提供了良好的試驗條件。

對每個無鎧光纖測溫傳感器準確度進行測試。首先設定了40.0℃、80.0℃、120.0℃、150.0℃ 4個溫度，經測量得到的標準點溫度分別為42.000℃、79.548℃、119.816℃、151.001℃，然后將無鎧光纖測溫傳感器測量溫度的示值與標準溫度值相比較，可以得出實驗室環(huán)境下無鎧光纖測溫傳感器的測溫準確度。

參與測試的準確度最低的無鎧光纖測溫傳感器(編號B600585)在4個溫度點的測試情況見表1。

表1 編號B600585的無鎧光纖測溫傳感器測溫試驗情況

采用恒溫油槽進行光纖測溫傳感器響應時間測試，測試數據顯示無鎧光纖測溫傳感器從原始溫度26.0℃到目標溫度100.0℃的響應時間為10 s，鎧裝光纖測溫傳感器從原始溫度30.0℃到目標溫度100.0℃的響應時間為210 s，表明封裝后的光纖測溫傳感器響應時間大大低于無鎧光纖測溫傳感器。

2.3廠內整體測試

為了驗證實際安裝后的測溫效果，對系統(tǒng)在隔離開關廠進行了模擬測試。為了與變電站實際系統(tǒng)的構成一致，除連接光纖比實際短外，信號傳輸的所有器件都接入系統(tǒng)進行測試。受現場限制熔纖托盤和多分路器未接入，這樣的連接會比變電站實際傳輸的損耗更??；但該系統(tǒng)為頻率調制方式，損耗增加部分不會影響測量精度，故模擬測試系統(tǒng)構成與變電站的實際系統(tǒng)是等效的。

由于在隔離開關工況試驗情況下不能使用恒溫槽等標準溫升方式，現場模擬故障溫度上升采用電阻加熱板作為熱源。電阻加熱板固定在隔離開關動、靜觸頭接觸部位，預先埋設了6個熱電偶。由于測試場地比較空曠，加熱板功率相對較小，經過5個多小時，加熱點溫度在79.7℃時達到穩(wěn)定，光纖測溫顯示該點溫度為77.9℃。由于熱電偶的測量誤差較光纖光柵更大，因此不能作為溫度測量準確度的判別依據，只能判斷其差異能為工程使用所接受。當進行溫度下降測試時，光纖測溫顯示較熱電偶溫度巡檢儀測試滯后3 min。

圖3 觸頭過熱故障模擬裝置

從預埋的6個熱電偶測得的溫度可看出，在靜觸座與電子互感器的主導電回路中，靜觸頭到電子互感器一次回路連接板有一定的熱損失和熱阻。測溫點布置及數據如圖4和表2所示。

圖4 測溫點布置

測溫點123456溫度值/℃77.079.756.563.034.430.0

3 光纖光柵測溫系統(tǒng)現場評估

安裝于團結變電站和勁松變電站的基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫系統(tǒng)，其光柵解調儀通過RS-232通信口與后臺計算機相連，后臺計算機將測得的溫度數據儲存起來并顯示在屏幕界面上，因此，測溫系統(tǒng)的界面(如圖5所示)可以實時顯示各隔離開關各相的溫度數值。投入試運行發(fā)現：在海拔較高的勁松變電站，各測量支路最大溫差為2.5℃，其中同一隔離開關不同相的溫差最大為1.5℃；海拔較低的團結變電站各測量支路溫差則明顯小于勁松變電站。

圖5 測溫系統(tǒng)顯示界面

測溫系統(tǒng)允許用戶修改溫度的警告值和報警值。當傳感器測得某隔離開關某相的觸頭溫度低于警告值，相應溫度數值下方顯示為綠色，表示此相溫度在正常數值范圍內；觸頭溫度高于警告值低于報警值，溫度數值下方顯示為黃色，表示此相溫度可能存在異常，需要適當關注；觸頭溫度高于報警值，溫度數值下方顯示為紅色，表示此相溫度過高，可能存在過熱現象。一旦某測量支路斷開，界面顯示的相應隔離開關相應相的顏色將呈現灰色，提示用戶該支路已不再進行測溫。

針對戶外隔離開關觸頭的測溫目前應用很少，屬于新興的狀態(tài)監(jiān)測手段。另外，不同環(huán)境條件、海拔高度和地理條件下的變電站內的隔離開關正常運行溫度存在差異，傳感器安裝于隔離開關觸頭不同位置測得的溫度以及溫度變化情況也并非完全相同，因此基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫方法對于溫度警告值和報警值的設置還沒有統(tǒng)一、明確的標準，需要在以后的運行中進行總結、研究，以完善該監(jiān)測方法，提高監(jiān)測準確性。

用于光信號傳輸的光纖，每條對應唯一的隔離開關的相應相，安裝過程中利用不同支路傳感器發(fā)射的光的波長不同。在系統(tǒng)安裝完畢后，可根據傳感器發(fā)射波長對傳感器和光纖支路進行核對，以保證各測溫傳感器準確對應相應的測量支路。由于測量信息是波長編碼的，因此測量信號不受光纖傳輸損耗、光源起伏、傳感器老化以及光波偏振態(tài)變化等因素的干擾，具有較強的抗干擾能力，適合在惡劣環(huán)境下工作。

4 結 語

1)對基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫方法進行了室內及變電站現場測評。這是一種新興的隔離開關測溫方法，除了具有體積小、結構簡單、抗干擾性好等優(yōu)點，還特別適用于長距離、分布式測量，從而實現用一套測溫系統(tǒng)監(jiān)測變電站所有隔離開關觸頭溫度，提高了隔離開關設備的安全性，顯著降低了監(jiān)測成本。

2)在實驗室和制造廠，對基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫系統(tǒng)的準確度及響應時間進行了測評，發(fā)現測溫系統(tǒng)準確度在±0.4℃以內，分辨率可達0.1℃，無鎧光纖測溫傳感器從原始溫度26.0℃到目標溫度100.0℃的響應時間為10 s，鎧裝光纖測溫傳感器從原始溫度30.0℃到目標溫度100.0℃的響應時間為210 s。

3)現代測控、通信及計算機技術整合而成的基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫系統(tǒng)可以提供隔離開關觸頭的實時溫度顯示，并根據用戶自行設置和修改的警告值和報警值進行溫度監(jiān)測和情況處理。

4)基于光纖布拉格光柵的隔離開關觸頭測溫方法，由于沒有相應的驗收和評測標準，且測溫系統(tǒng)的傳感器工作在外部環(huán)境復雜的場所，信號傳輸線長、維護要求高，傳感器封裝、系統(tǒng)穩(wěn)定性及系統(tǒng)維護工作還將面臨較大考驗。以上問題還需要通過測溫系統(tǒng)在將來日常運行中的表現進行確認及改進，不斷完善隔離開關觸頭溫度監(jiān)測方法，切實提高智能變電站的安全水平。

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The accuracy, safety and effectiveness of online temperature measurement method for isolating switch contactor based on optical fiber Bragg raster are evaluated. The results show that the proposed online temperature measurement system has the advantages of small size, simple structure and good anti-interference performance, and can be used for the distributed measurement to improve the level of substation security. However, the method lacks the appropriate standards and application experiences for online temperature measurement of isolating switch contactor. Besides, the electric field distortion caused by the existing structure must be refined and improved in the future system.

isolating switch; online temperature measurement; Bragg raster; distributed measurement; electric field distortion

TM83

：B

：1003-6954(2017)04-0061-04

2017-03-06)