光纤光栅测温技术在10 kV开关柜内部温度在线监测中的应用研究

李晓江，任章鳌

(1.国网湖北省电力公司荆门供电公司，湖北荆门448000；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

电力系统一、二次设备在运行过程中，可能会出现设计、选型、施工、防腐、检修、操作不当等原因导致的局部温度异常，这些温度异常部位不管是电压型、电流型还是电磁型致热，绝对多数都可以通过红外成像检测发现，但全封闭式开关柜除外。

《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》重点强调:加强开展开关柜内部温度测量，对温度异常的开关柜强化测量、分析、诊断和检修，防止导电回路出现过热点引发的柜内设备损坏或短路故障。2015年国家电网公司运检技术 (2015)53号文件 《关于国网运检部开展消弧线圈和开关柜设备专项治理工作的通知》要求，各供电公司组织排查10 kV、35 kV消弧线圈和开关柜缺陷，并落实专项消缺工作。

为满足防爆、防人身伤害要求，目前国内供电系统通常采取全封闭式开关柜。此类装置把一、二次设备封闭在开关柜内，当设备出现温度异常时，其红外辐射量传导到柜外已经相当微弱，红外成像检测很难发现异常，且无法准确定位。笔者通过大量的实际调研，提出了利用光纤光栅测温技术来解决开关柜内动静触头温度实时在线监控的新思路，并在某变电站进行了试点建设工作，填补了以往全封闭式开关柜带电温度检测的技术空白，取得了较好的社会和经济效益。

1 光纤光栅测温技术

采用传统的红外测温仪，无法测到开关柜内刀闸或接线排温度；同时，开关柜工作时带有高电压，必须闭锁柜门，禁止打开进行测温。光纤光栅首先具有感温特性，对温度变化灵敏高、感温范围大；其次具有绝缘特性，几乎不导电，不吸附水分；再者其信号传输性能优良，抗大磁场辐射，传输损耗低；最后其还可以实现多种方式的信号传输，信道冗余度相对开关柜测温点较大，不会出现信号堵塞情况。这样通过光纤光栅不仅可以实现定点准确测温，还可以完成大范围分布式测温。从而实现电力高压封闭式设备的即时温度测量，并分析测量数据，及时进行状态预警，为状态检修工作提供依据。

将光纤光栅感温传感器植入10 kV开关柜内，实现了柜内主要设备的温度测量，此测量系统集成了三方面的技术:

1)绝缘子隔离。三相传感器之间增加绝缘子，加大爬电距离，防止极端情况下 (如凝露)产生爬电，提高可靠性。

2)应用高灵敏度、高精度、大量程的光纤光栅感温传感器，并与10 kV开关柜内动静触头导电排直接接触，可随时得到接触点的温度及其变化趋势。

3)采集原件属于无源装置，无需另外供电。

光纤光栅受热会发生两方面的变化:一是对光线的折射率会发生变化；二是栅格周期会发生变化。感温特性可将外界环境温度变化的信息转化为波长的变化，通过测量光纤中光波的波长变化，就能反应出被测设备的温度变化。光纤光栅感温效应与布拉格波长变化的相互关系:

式中 λB为布拉格波长；ξ为光纤光栅的热光相关系数；α为光纤光栅的热膨胀系数。

光纤光栅感温传感器具有应变特性主要是由弹光效应和弹性效应共同作用的结果，相互关系为:

式中 Pe为光纤的有效弹性系数。

光纤传感分析仪的工作机理是:分析仪定时向光纤光栅感温传感器发出一束不间断的宽带光波，此宽带光波在传感器内部会被反射回某一中心波长的窄带光波，其波长与传感器所测量处的温度成线性相关，这样通过确定窄带反射光波的中心波长就可以间接得出测量处温度，如图1所示。

图1 光纤光栅感温特性

光纤光栅感温传感器可多组串、并联布置，每只传感器对应不同的波长编码，光纤传感分析仪解析对应编码的反射波，即可得到特定传感器的测温数据，从而实现多个测温点同时测量，如图2所示。

图2 光纤编码实现多点测量

2 光纤光栅测温系统

2.1 系统构成

整套测温系统由4个部分构成:前端光栅感温传感器、中间光纤传感数据分析仪、尾端监控告警平台以及连接它们的光纤光缆。

前端光栅感温传感器与10 kV开关柜内设备直接接触，连续测量设备节点温度；然后通过光纤把测量光波反馈给光纤传感分析仪，经过相关运算与分析得出各节点温度，随即发送到尾端监控告警平台；监控告警平台保持、分析数据，满足大存储空间的要求，并对节点测量数据进行实时分析，判断节点温度及其变化趋势是否合乎规定，做出正常或告警提示，以图形化界面友好显示。系统结构如图3所示。

图3 温度监控告警系统架构

2.2 系统主要功能

1)在线自动检测:自动测温，并即时发送测温数据到监控告警平台，平台自动分析、判断并做出正常或告警提示。

2)光纤数据传输:光纤光栅感温传感器与光纤传感分析仪之间应用全光纤相连，避免了强电磁场的干扰，提高此测温系统的抗干扰能力。

3)无需电池供电:光纤光栅感温传感器不需要供电就可以工作，为无源装置，不需要相关维护。

4)高性能温度传感器:应用高精度、高可靠性、大量程的光纤光栅感温传感器来测温，能即时、精确地得出测量点温度。

5)远程监测:数据传送至监控告警平台主机，运检人员可以随时登录系统进行远程监控。

6)超温报警:可依据相关规程或实际状况来设定预警值，当所测数据大于此值时，系统会做出告警。

7)设备趋势分析:终端计算机对所测开关柜内主要设备的温度数据长期记录，并实时进行分析，形成任意时间段内的温度曲线可供运检人员直观分析设备运行状态，为下一步采取相应的检修策略提供依据。

3 温度监控告警系统的实现及评估

目前，全封闭式开关柜的带电检测手段有:暂态地电波、超声波和超高频测量，但这3种方法都很难发现柜内重要设备的发热异常。研制的温度监控告警系统采取光纤光栅测温技术作为10 kV开关柜内主要设备的温度监控手段，运用可靠的光纤通信、数字化温度测量、微型电子和感应技术，测量检测点的温度，并分析、判断温度是否异常，有效解决了难以带电巡查开关柜内部设备状态的难题，提高了电网运行可靠性。

3.1 系统应用概况

光纤光栅测温监控告警成套系统经过充分的方案论证，详细的布局设计，选取某220 kV变电站负荷较大的7面开关柜，按照每面柜上下三相6个监测点进行传感器安装，另外在6号柜体内加入了一个环境温度测量点。变电站10 kV室内情况如图4所示。

图4 光纤光栅测温监控告警系统安装地点

3.2 系统安装概况

系统现场应用前，完成了光纤光栅感温传感器选型和耐压试验、光电测量、波长与温度转换计算、信号传输方式和接口的选择、光纤光栅凝露试验等。现场安装分为4个阶段:①波浪型布置光纤光栅感温传感器，并适当加入绝缘子串，提高光纤连接的可靠性和防凝露特性；②在电缆夹层内安装光纤光缆，用于感温传感器与光纤传感分析仪之间通信；③利用主控室屏柜或柜体内闲置单元，布置光纤传感分析仪；④在监控告警平台主机上安装监控告警软件。

502胶水由有机高分子组成，绝缘性能优良，胶粘能力突出，使用它来固定连接传感器与被测温部件；708胶是密封胶，使用它封闭传感器四周，并用金属扎带将传感器扎紧确保安装牢固，最后用线卡将光纤轻轻挂起固定，如图5所示。将开关柜内连接传感器的光纤都归集到一处，利于安装和保护，最后用光缆连接到光纤传感分析仪，如图6所示。

图5 光纤光栅感温传感器布局

图6 传感器分析仪安装

安装完成后，进行设备联调和验证，确保感温传感器可靠连接、系统通信正常可靠、监控告警平台运行正常、现场温度和测量数据间误差0.5℃以内、耐压试验前后系统测量无偏差，联调和验证完成后整套测温系统投入试运行。

3.3 系统性能及效益评估

此光纤光栅测温系统已在该220 kV变电站运行1年半，目前运行状况良好，显著提高了运检人员发现设备缺陷的能力。特别是迎峰度夏、迎峰度冬和重大保电任务期间能够提前发现设备隐患并处理，大幅避免了由于开关柜内部故障引起的停电。

此光纤测温系统实现了可靠的柜内温度测量，完全克服了之前无法测量柜内设备温度，无法预判设备状态的局面。通过此系统的应用，可以实时查看现场设备的温度和变化趋势，可有效减少巡视周期，降低运维人力成本。

该220 kV变电站为该市500 kV电源点和220 kV电网间联络变电站，也是市郊两集镇、重要化工、水泥企业的电源点，多条10 kV线路经常重载，开关柜内部设备损坏时有发生。2012年至2015年间，该站10 kV开关柜每年因设备过热损坏停电达3次左右，抢修费用约22万元；每年因停电造成设备陪检、多检情况也经常发生，浪费大量人力、物力。光纤测温系统在该站投入使用后，及时发现2起柜内设备发热异常，为处理设备缺陷和降低客户损失提供了充足反应时间。

4 结论

光纤光栅测温系统，成功地将光纤光栅感温特性应用到全封闭、高磁场空间的测温工作中，经过1年多的试运行，运检人员的工作效率得以大幅提高，达到预期效果。此系统不仅可以及时发现设备发热异常，为检修工作定点定位；也可以绘制设备温度变化趋势图，实现负荷预测、状态评价；还可以有效避免单台开关柜拒动引发相应10 kV母线失压事故；当然也可以降低设备检修次数，减少停电时间，让优质供电服务的承诺得以实现。

〔1〕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(2):122.

〔2〕孟庆民.高压开关设备的温度在线监测研究 〔J〕.高压电器，2006，42(5):352-354.

〔3〕王耀才，朱建铭，徐钊，等.关于光纤温度传感器的研究〔J〕.中国矿业大学学报.1990，19(2):50-55.

〔4〕王新彤.基于光纤光栅的开关柜温度在线监测系统的开发及应用 〔D〕.保定:华北电力大学，2010.