基于阈值预警功能的高压开关柜光纤测温系统设计与测试

刘勇求，王文斌

(1.广东科技学院 机电工程系，广东 东莞 523083;2.雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051)

基于阈值预警功能的高压开关柜光纤测温系统设计与测试

刘勇求1，王文斌2

(1.广东科技学院 机电工程系，广东 东莞 523083;2.雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051)

针对开关柜触点发热严重及温度难以精确检测的问题，对目前常用的测温技术进行分析对比，开发了基于阈值预警功能的高压开关柜光纤测温与预警系统。该系统以智能诊断与预警模块为核心，在实时检测被测点温度的同时，将检测结果与历史数据进行分析对比，当触点温度及其变化趋势接近或超过预警阈值时，系统自动发出警示。测试结果表明：该系统测温精度高，能有效用于开关柜内部温度的在线监测和预警，对工作人员实时掌握开关柜的运行状态，及时发现并处理故障隐患，保证开关柜安全运行提供依据。

开关柜； 预警； 光纤光栅； 在线测温

0 引 言

随着电力工业的发展，高压开关柜已成为变电站重要的电力设备，担负着开断电流、分配电能的作用。由于开关柜内部空间狭小且封闭，随着用电负荷的不断加大，开关柜各接头、触点等部位的发热问题日趋严重。据统计，变电站设备运行中发现的缺陷，与温度有关的占了80%以上，直接影响了变电站的正常运行和用户的可靠供电，这就需要对开关柜内部温度进行实时监测，实现提前预警[1-2]。传统测温方法是采用人工现场检测，作业难度大，工作效率低，已不适用于工程实际要求，因此设计一种有效的在线自动测温与预警系统是研究人员关注的重点。

目前应用于开关柜的测温技术主要包括红外测温、无线测温以及光纤测温技术等。红外测温是利用不同温度产生不同红外辐射的原理，通过红外热像仪采集测点的热红外辐射，通过其内部光电转换系统换算得到被测目标的温度值[3]。无线测温技术是将无线温度传感模块直接安装在需要测温的部位，数据接收器放置在距离开关柜体一定距离的地方，两者通过无线通信的方式进行数据的采集与传输[4-5]。光纤测温技术是将光源发出的光经调制后，通过光纤到达传感器，对光信号进行滤波采样和分析，通过光学特性的变化，测出每一个传感器的温度[6-7]。

各测温技术都具有各自的优势和不足，鉴于本研究重点要实现开关柜内部温度的在线监控，并希望得到比较精确的实验数据，而光纤光栅传感器具有测量精度高、抗电磁干扰能力强、可靠性好，布设方便等优点，因此采用光纤光栅传感器进行测温，设计基于阈值预警功能的高压开关柜光纤测温与预警系统。同时，为检验光纤光栅测温技术的有效性，根据某变电站的实际需求情况，对所设计的系统进行了实际测试。

1 光纤传感测温技术分析

1.1强度调制型传感器测温原理

强度调制型传感器是一种利用测点温度的变化使光波的折射率等参数发生改变，引起光强度变化来实现温度测量的传感器。图1中，当开关柜测点温度发生变化时，双金属片产生弯曲变形，带动遮光片在垂直方向上运动，使光纤中光通量改变，达到调制光强度的目的[8-9]。

图1 强度调制型传感器测温原理

根据检测得到的不同电流值，可推导出光通量的大小及遮光片的位移，最后转换成被测物体的实时温度。光纤中光通量密度可表示为：

(1)

式中：I0为光纤中的光强度；β为光纤折射率分布系数；r为光纤纤芯半径；μ为光强调制参数；α为光纤的最大出射角。

1.2波长调制测温原理

利用滤波等技术使光的波长发生变化，并通过波长与温度的关系推导出实际温度值，这类调制方式称为光波长调制。把周期小于1 μm的周期光纤光栅称为布拉格光栅(FBG)，光波进入布拉格光栅后，满足FBG条件的光波产生反射，入射光被分成两部分，从而实现按波长大小对光进行调制，如图2所示[10-11]。温度的变化使光纤的有效折射率及调制周期发生变化，引起光栅波长的漂移，根据漂移的大小就可以推导出被测点的温度。

图2 光纤光栅测温原理

光纤光栅中心波长，

λB=2neΛ

(2)

式中：ne为光栅的有效折射率；Λ为光栅周期。

波长与温度变化的关系为：

ΔλB=λB(α+β)ΔT

(3)

式中：ΔT为温度的变化量；α为光纤的热膨胀系数；β为光纤的热光系数；ΔλB为波长的变化量。

根据式(3)可以得到被测点温度的变化与光纤中心波长之间的关系，如图3所示。

图3 温度变化与光栅中心波长的关系曲线

2 高压开关柜在线测温与预警系统设计

2.1总体方案设计

结合需求分析和实际应用情况，对系统的总体结构框架进行设计[12]，主要包括数据采集层、站内监测层以及应用管理层，如图4所示。其中：① 数据采集层主要完成对测点温度的采集和传递，包括光纤传感器和光分路盒。② 站内监测层主要完成数据分析、数据显示、诊断预警等，满足工作人员对开关柜测点温度的实时在线查看，由上位机组成。③ 应用管理层主要面向远程管理人员，使其能查看监测计算机中监测的温度数据。

图4 系统总体框架结构

2.2功能模块

终端软件是人机交互的平台，是用户访问管理数据库的窗口，在整个系统中起着非常重要的作用，主要负责系统配置录入和系统数据显示。本系统采用Windows作为操作平台，后台使用SQL数据库语言，具体可分为以下几个功能模块：用户管理、实时温度显示、智能诊断与预警、历史数据查询、电子地图等。

主要模块的功能：① 温度实时显示。通过光纤传感器对各测点的温度进行实时显示，实现开关柜温度的在线检测。② 智能诊断与预警。当测点的温度或温度变化率超过规定值时，发出警告信号。③ 历史数据查询。以图表或曲线的形式向用户提供历史信息。④ 电子地图。用电子地图的形式显示各测点位置，便于更加直观地查找故障点。

2.3温升预测

本系统可以智能诊断，根据开关柜的实时检测结果为用户提供预警功能，是在线测温系统的核心模块。其原理是将检测到的温度与预设的预警值实时对比，并和数据库中的历史数据进行对比分析，根据当前温度和温度变化趋势分析未来温度走势。当分析结果接近或超过预警值时，系统自动发出警示信息，以便工作人员及时发现该设备存在的安全隐患。

引入温度预警阈值H，以此代表测温点的温升程度，反映该点工作是否正常，利用最小二乘法建立温升预警模型，其表达式为[13-15]：

H=μ(ΔT′-ΔT)+e(T0-Tm)

(4)

式中：μ为温度安全系数；T0为触点实时温度；Tm为温度设定值；ΔT为温度变化率预测值； ΔT′为温度变化率实测值。

规定预警模型满足如下规则：利用预警模型将测点实时温度进行变换，得到各时刻的预警阈值H，当H<1时，代表触点温度正常，工作状态良好；H趋近或大于1时，代表触点温度过高，或有温度超标趋势，这样就可根据H大小预测开关柜的工作状态。

温度变化趋势预测预警功能的实现流程如图5所示。

图5 温升阈值预警实现流程

3 实验测试

以某变电站为测试对象，根据开关柜实际配置情况，取4台开关柜进行实际测试，每个开关柜设3个光纤传感器，传感器栅区长度10 mm，反射率>90%，传感器安装方式如图6所示。

为了验证光纤传感器测温结果的准确性以及系统的实用性，采用人工使用红外测温仪测量触点的温度，并与光纤传感器测量的温度值进行对比，测量结果如图7、8所示。

图6 光纤传感器安装

图7 温度对比结果

图8 温差曲线

结果显示：光纤光栅测温值与人工红外测温值非常接近，最大误差的绝对值仅为0.5 ℃左右。可见，采用光纤光栅传感器的测温系统能很好地反映开关柜各触点的实际温度，满足设计需求。

根据测量结果，发现10号光纤传感器采集到的温度较高，为验证预警模型的准确性以及智能诊断的有效性，设定预警温度为40 ℃，并对该点温度进行一段时间的跟踪采集，得到温升预警曲线，结果如图9所示。

图9 温升预警测试曲线

在采集过程中，发现10号光纤传感器在某时刻的预警阈值H接近并超过1，代表此过程中测点的温度接近并超过了40 ℃，即该点的实时温度超过了安全范围，和测试结果一致。此时系统将发出告警提示，提醒工作人员出现了不安全状况。测试结果表明，所建立的预警机制合理，模型正确，可实现开关柜触点温度异常升高的提前预警。

4 结 语

随着用电负荷的不断增加，高压开关柜触点温度过热问题日趋严重，实现其温度的在线检测和故障预警是开关柜应用和发展的趋势。本研究综合分析了目前各类测温技术的特点，并根据实际需要，设计了基于阈值预警功能的高压开关柜光纤测温与预警系统。该系统不仅可实现开关柜内部温度的实时监测，还能为用户提供温度走势分析，实现故障预警功能。实际测试结果显示，该系统测温精度高，能有效用于开关柜内部温度的在线监测和预警，满足设计需求，对工作人员实时掌握开关柜的运行状态，及时发现并处理故障隐患，减少事故的发生，保证高压开关柜及整个电力系统的安全运行具有重要的意义。

[1] 李 晶， 满家健， 周电波，等．金属封闭高压开关柜手车触头温度场仿真分析及实验研究[J].高压电器，2015，51(8):74-79.

[2] Kobert B.Structural integrity monitoring with fiber Bragg grating sensors [J].Sensor Review，2005,25(2):78-83.

[3] 周 为，朱 强，徐敏捷，等．高压开关柜内接头的红外温度监测系统研制[J].电测与仪表，2013，50(12)：96-99.

[4] 孙 熠．基于无线传感器网络的开关柜温度在线监测系统[D].石家庄：华北电力大学，2013.

[5] 巩宪锋，高压开关柜隔离触头温度监测研究[J]．中国电机工程学报，2006，29(1)：103-109.

[6] 邬 钢，李进光纤在开关柜触头温度监测中的应用[J]．高电压技术，2006，32(3)：122-126.

[7] 崔 嘉，赵 霞，方 玄，等．基于光纤传感的电力设备温度监测[J].电力系统及其自动化，2015，37(4)：67-69.

[8] 张纯玺．光纤光栅温度监测系统设计及其在高低压开关柜中的应用[D]．济南：山东大学，2010.

[9] 张修鹏，李捍东，于 浩，等．基于光纤光栅的高压开关柜温度在线监测研究[J].核电子学与探测技，2013，33(10)：1289-1292.

[10] 李成榕，马国明．光纤布喇格光栅传感器应用于电气设备监测的研究进展[J]．中国电机工程学报，2013，33(12)：114-122.

[11] 李伟年，俞明华．高压开关柜在线测温技术的研究[J]．电脑与电信，2013(4)：65-66.

[12] 史左源．唐山地区高压开关柜光纤测温系统的设计与应用[D].石家庄：华北电力大学，2014.

[13] 侯 静．基于光纤测温的高压开关柜温度故障预警[D].济南：山东大学，2009.

[14] 刘继权．光纤光栅在开关柜温度监测中的应用研究 [J]．电工技术，2013(4)：45-46.

[15] 张 艳，田 竞，叶逢春，等．基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制[J]．高压电器，2005，42(2)：91-93.

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

广东高校省级重点平台和重大科研项目(2015KQNCX191)；广东省高等职业技术教育研究会2016年立项课题(GDGZ16Y142)

刘勇求(1980-)，女，湖南湘潭人，讲师，现主要从事智能控制研究。Tel.:13580784886；E-mail:2694229829@qq.com

TM 591

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1006-7167(2017)07-0068-04