高压触点光纤测温技术

冯驿棋

(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江 212013)

高压触点光纤测温技术

冯驿棋

(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江 212013)

本文介绍了各种高压电气测温方式,着重说明了光纤式测温的优点及局限性。

温度 光纤 高压

1 现状及发展趋势

电力系统正向着大电网高可靠性、高自动化水平的方向迅猛发展。对电网运行自动化、智能化的监控水平已成为国内外高度重视的关键问题。随着社会用电量的日益增加,承载着大负荷输送任务的高压电气设备如变压器、互感器、高压开关柜、室外刀闸等电力负载也在迅速增加。电网中众多高压电气设备本身、设备之间的联接点是电力输送最薄弱环节,这个薄弱环节的实质问题就是联接点发热。随着负荷的增大,导致联接点发热并形成恶性循环:温升、膨胀、收缩、氧化、电阻增大、再度升温直至酿成事故。因此,电力系统不惜人力、财力,采取多种措施监测高压联接点的温升。据国家电力安全事故通报统计,我国每年仅发生在电站的电力事故,40%是由高压电气设备过热所致。为避免出现连接点温升过高,甚至烧毁造成停电事故,国家标准对高压电器的主回路电阻和温升做了具体要求和规定,但对于运行中的高压电器接点温度如何进行有效地在线检测尚无具体要求。因此监测高压设备联接点温升是杜绝此类事故发生的关键,实现温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段。

目前高压设备测温方式有以下几种:

(1)分布式光纤测温；

(2)红外测温法；

(3)无线实时测温装置。

图1 光纤式测温装置原理框图(传感器部分)

图2 光纤式测温装置原理框图(主机部分)

为预防和避免事故的发生,开发一种可靠、实用、方便的触点温度实时在线检测装置显得非常必要。该装置不仅对高压带电设备的各种联接点温度实时在线监控,确保电网的安全运行,而且还可以对监测的数据进行记录和保存,为设备状态检修提供重要的依据。

2 高压线路测温方式优缺点

2.1 分布式光纤测温

分布式光纤温度传感系统DTS是基于光纤拉曼(Raman)散射现象。激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用,发生散射,散射光有多种类型,如:瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是与光纤分子的热振动相关联的,因而对温度有敏感,可以用来进行温度测量。在光纤中,散射信号是连续的,通过使用高速信号采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔,可以得到拉曼散射光发生的位置,由于拉曼散射光对温度敏感,所以可以沿着 光纤测量到相应的温度分布。

分布式光纤测温距离远,数据量大,适合电缆测温。但分布式光纤数据量非常大,需要处理器具有较高的处理能力,从而提高了其成本及供电要求。

2.2 红外测温法

表1

图3 试验变压器

利用光学设备聚焦于待测设备的触点,根据设备触点在不同温度下红外辐射率不同的远离,采集该测点表面热能量的红外辐射,经过红外镜头聚焦,将待测点的红外辐射送至红外探测器,从而测得被测点的温度。

该方法通过凸透镜直接接受测量点发出的远红外波,接收器可以远离测量点,解决了高压格力以及传感器环境温度高的问题。但由于被监视的个高压电器设备触电的红外辐射率不同,以及杂散光、背景光和各种光的干扰,导致红外辐射路径不同及大气衰减等因素都会影响测温的精度,因而红外测温发的稳定性较差。虽然较好的红外测温设备和熟练人员侧操作下也能大概测出高压带电设备的温度,但只能测量在直线可视范围内的测点温度,这是红外测温法的致命弱点。而且红外测温仪逐点测温的方法必须避开太阳光的背景干扰,一般需要在夜间或阴雨天到达现场实测,测量误差较大,还需要大量的人力物力。

另外红外测温成本较高,如果研发在线监测产品,价格会比较高。最终形成产品后市场前景不被看好。

图4 传感器安装

图5 传感器安装

2.3 无线实时测温装置

无线测温传感器采用数字式温度传感器DS18B20采集温度信息,将温度信息通过2．4G射频方式传输至数据接收单元,数据接收单元可以同时管理多个无线测温传感器。数据接收单元将数据整理并暂存,由主机通过通用的通讯协议来读取传感器数据,实现对所有传感器的监测。该方法优点在于通过射频的方式传输数据,解决了电位不平衡给测量带来的障碍。其次,通过1主多从的方式管理传感器,降低了设备使用成本。由于无线测温传感器体积较小,可以安装在任意狭小的位置。

但无线数据传输有其不确定性,受环境干扰较多,无法实现高可靠性数据传输。

3 光纤式测温装置的研发及应用

光纤式温度传感器用于测量带电物体表面的温度,如高压开关柜内的裸露点和母线连接处的运行温度。

光纤式测温装置原理:使用传统半导体测温材料,传统测温原理具有低成本、低功耗、高精度等优点。结合目前最先进的单片机低功耗技术,使得传感器本身功耗极低,待机功耗仅为8uA,新技术的应用使产品锂电池供电成为了可能。

表1为电池容量与传感器工作时间对应关系(理论值)。

根据目前电子元器件使用寿命及电池自放电率,2Ah电池足够使用至设备更新,所以本测温传感器体积可以做的比较小。

传感器采用光传输信号,光通讯优点是高效、可靠并且无电气连接。本方法采用光作为数据通讯媒介彻底切断了高电压与设备之间的电气连接,解决了电位不平衡给测量带来的障碍如图1、图2、图3所示）。

传感器生产过程中严格按照标准调试,完全可以做到直接互换,为系统长期运行以后传感器的更换提供了便利。传感器本身的安装非常简单,即使无该产品的安装经验也同样可以根据指导书快速安装。

数据接收及存储部分采用高性能32位微处理器作为中央控制单元。数据存储采用铁电存储器,该技术优于传统EEP存储,具有速度快、存储时间长等优点。数据显示部分采用彩色液晶产品。

光纤式测温装置装置在高压试验变压器做耐压试验电压等级达到350kV,测量数据仍正常,从而验证了光纤式测温装置的绝缘耐压水平可以安全工作在电压等级在220kV以下的线路上。

光纤式测温装置应用实例:基于光纤式测温装置的测温系统已经成功在东丽化工安装运行,如图4、5所示。

安装至今,系统已稳定运行近一年,期间准确定位一次线路高温,经停运检修,确认缺陷为设备老化导致发热量增加,及时消除了安全隐患,保证了站内设备的安全稳定运行。

4 结语

本文所论述的光纤式测温系统适应现有工况条件,成本较低,普及意义重大。该项目的普及将对日后各种高压设备由于接头温度引起的故障提供最直接的预报。

[1]金振东 等.国内高压带电设备测温方式综述及分析[J].电力设备,2007,(8)57-61.

[2]陈振生.智能高压开关设备的在线监测技术[J]电力设备,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

冯驿琪(1993—),女,现就读于江苏大学电气信息工程学院。