10kV高压开关柜光纤光栅测温系统应用研究

杨希

摘要：根据矿井实际需求，矿井变电站采用光纤光栅测温系统对14个10 kV高压开关柜中的168个测温点进行了温度监测，应用效果良好，系统实现了温度监测、显示、预警等功能的一体化，具有良好的经济效益，可有效杜绝高压开关柜发热事故的发生。

关键词：光纤光栅测温系统;10 kV高压开关柜;光纤传感器

0 引言

矿井变电站中10 kV高压开关柜是不可或缺的重要设备，其直接连接着变电站及电流分配线路，具有电流输送及开断的功能。10 kV高压开关柜供电稳定，长期运行过程中容易发热，当温度超过设备的额定温度后，容易引发跳闸事故，严重情况下造成供电系统瘫痪，影响矿井的正常运行。为此，众多学者进行了相关方面的研究，其中光纤测温技术因为不受高压开关柜结构限制且测量结果准确而备受关注。

本文根据实际需求，采用光纤光栅测温系统对10 kV高压开关柜进行温度监测，监测过程中系统运行稳定，数据可靠，实现了温度的实时监测、显示、预警等功能一体化，应用效果良好。

1 光纤光栅测温系统工作原理

矿井井下变电站主要通过10 kV高压开关柜进行电流输送，其与主变电柜及电流分配线路连接，直接控制着电流的开断，因为输送电流量较大，高压开关柜内部结构复杂，加上井下工作空间狭小，难以实现高压开关柜的实时测温目的。目前矿井井下变电站主要采用KYN型中置移开式高压开关柜，这种高压开关柜体积较小、密封性良好、结构复杂，在运行过程中电流负荷较大，发热现象严重。根据国家标准《交流高压电器在长期工作时的发热》（GB 763—1990）相关要求：“10 kV高压开关柜额定最高温度为75 ℃，长时间高温作业下，容易导致连接部位松动，严重情况下将发生安全事故。”因此，对10 kV高压开关柜进行实时温度监测显得尤为重要。

本文主要采用光纤光栅测温系统对高压开关柜进行温度测量，测温系统工作原理示意图如图1所示，其具体工作原理：系统的脉冲光信号主要通过半导体SLD发出，光信号通过放大器放大后传送至传感器，传感器将接受到的信号返回至光纤中，在光时延线的作用下，形成一系列脉冲序列，随后依次经过光探测器、放大器到达信号控制中心，得到处理过后的脉冲序列，这些序列中包含了设备运行过程中具体的温度参数，最后进行数据输出，实现温度测量工作。

2 光纤光栅测温系统工程应用实例

本文根据矿井实际配电情况，在10 kV高压开关柜中运行温度测试系统。

2.1    光纤光栅测温系统作用及特点

光纤光栅测温系统具备抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐辐射等特点，可以在恶劣的环境中安全运行，除此之外，系统还具有一定的自检和校准功能，如果系统在运行过程中光纤受损，凭借自检功能可以准确判断故障点，将故障信息反馈到计算机后，由计算机进行故障信息的处理，并通过显示屏进行显示，工作人员可根据显示屏显示的设备运行参数进行相关操作。光纤光栅测温系统特点如下：

（1）系统可对开关触点进行实时监测;

（2）显示界面显示了设备运行过程中各参数的具体状况，并可绘制相关曲线，及时保存历史曲线，方便工作人员查看;

（3）显示界面上不同部位均设有报警提醒，相应位置发生故障后，显示界面上的报警会提示故障点名称;

（4）系统具有持续性温度监测功能，不仅保留温度监测数据，还可实现手机-计算机一体化，工作人员可通过手机查看报警信息;

（5）系统具有一定的可扩展功能，可与矿井消防系统实现联动，当发生安全事故后，系统可及时关闭防火门及通风机，防止故障范围继续扩大。

2.2    光纤光栅测温系统安装

光纤光栅测温系统的安装需保证良好的接地性，系统安装在主控台位置，监测光纤、监测主机以及显示器等设备均安装在机柜内，电源为220 V的交流电，电源主要由站内提供，然后输送给监测主机，需保证电源的不间断供电。

光纤传感器是温度监测器的核心，其体积较小，主要用于开关触点、电压端头以及母线连接处等部位的监测。为了保证监测安全性，光纤传感器禁止安装在开关的操作部位以及碰撞部位，光纤光栅测温系统光纤传感器布置简图如图2所示，从图中可以看出，光栅传感器主要安装在三相静触头处，根据现场需求，高压开关柜中共布置了12个光纤传感器，通过耐高温的强力粘结剂将光纤传感器与静触头连接，为了防止爬电，光纤外露长度需大于2.6 m，为了监測结果准确，高压柜内光纤需进行适当弯曲，保证弯曲半径大于5 cm，且测温点爬距必须大于25 cm。

3 光纤光栅测温系统应用效果

本次应用针对矿井14个10 kV高压开关柜，共168个测温点进行了监测，每个高压开关柜有12个光纤传感器，测量位置主要集中在开关母线、开关CT侧和电缆、线路侧。2019年8月19日测温系统安装完成后，一直运行至2020年3月24日，在运行期间各个测点温度均在正常范围内，测得的数据良好，无故障发生。

光纤光栅测温系统不仅具有良好的测温性能，还具有一定的经济效益。根据矿井统计结果显示，自2010年起共发生过一起高压开关柜高温造成的安全事故，高压开关柜刀闸隔离发生故障，造成电路保护动作，致使1201开关和2510开关跳闸，最终造成变压器车柜烧毁，整个高压开关柜中各个零件均有烧熔变形现象，造成本次事故的主要原因是车柜中弹簧动力不足，在高负荷运行条件下，接触不良的位置发热严重，引起放电现象，最终导致了短路及跳闸事故的发生。传统的温度监测方法无法实现对接触部位的监测，因此无法掌握设备运行过程中的具体情况，2010年造成的这起安全故障共停电150 h，在停电期间造成供电损失约470万元，烧毁损坏的设备众多，直接损失60万元，累计损失530万元。此外，断电造成的停产以及大量设备维修费用均无法估计，损失严重。而采用光纤光栅测温系统可以实现对高压开关柜各个部件的温度监测，并有及时预警功能，当部件发生故障后可以及时进行抢修，保证供电系统的稳定性，具有良好的经济效益。

4 结语

本文针对矿井井下变电站10 kV高压开关柜容易发生的安全事故，采用光纤光栅测温系统对高压开关柜各敏感部件进行了温度监测，测试期间，各部件测点温度均在正常范围内，运行状况良好，保证了变电站供电系统的正常运行，具有良好的经济效益，该系统值得大力推广。

[参考文献]

[1] 韩玉兰，芦兴，路灿，等.高压开关柜隔离触头温度红外检测系统的研制[J].高压电器，2008，44（6）：578-581.