奧海蓮

摘要：文章根據(jù)當(dāng)前比較常用的光纖光柵結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，設(shè)計(jì)了能夠測(cè)量高壓開關(guān)柜內(nèi)部的接頭溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。這套實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由寬帶結(jié)構(gòu)光源、光纖光柵式的溫度傳感器以及可調(diào)濾波器以及電光轉(zhuǎn)換線路、傳輸裝置和系統(tǒng)內(nèi)部軟件構(gòu)成。該實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要根據(jù)光纖光柵具有反射波長(zhǎng)的屬性以及對(duì)溫度變化有很好的反應(yīng)的屬性，從而達(dá)到測(cè)量不同溫度下的光柵反射波長(zhǎng)變化的目的。該實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在通過數(shù)據(jù)處理后，可以實(shí)時(shí)精確地顯示溫度變化。該系統(tǒng)還可以對(duì)多個(gè)開關(guān)柜接點(diǎn)的溫度進(jìn)行精測(cè)測(cè)量，同時(shí)還具有溫度報(bào)警功能，一旦溫度超過預(yù)設(shè)值，即可實(shí)施報(bào)警。文章對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，對(duì)開關(guān)柜的接頭溫度進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，測(cè)試誤差均保持在0.2 ℃以內(nèi)，穩(wěn)定性和精度都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)利用通信接口技術(shù)，與電力控制中心連接，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭溫度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；溫度；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；光纖光柵溫度傳感器

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）20-0005-02

在目前的電力系統(tǒng)中，高壓開關(guān)柜發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，它對(duì)電力線路以及系統(tǒng)安全起著開合和斷開的作用，是控制整個(gè)電力系統(tǒng)的電力基本保障。隨著我國(guó)在最近十年電力系統(tǒng)正朝著大機(jī)組、高容量、高電壓的方向發(fā)展，越來越多的變電站都實(shí)行了無人值班和綜合自動(dòng)化的管理模式，這種管理模式對(duì)于高壓開關(guān)柜的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提出了更為嚴(yán)格的要求。眾所周知，一旦開關(guān)柜內(nèi)部的閘刀的接頭或者電纜的進(jìn)出線的接頭出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，那么接觸電阻就會(huì)急劇增大，直接導(dǎo)致負(fù)載電流在經(jīng)過時(shí)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，這將直接導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度大幅降低，甚至因?yàn)殚_關(guān)柜內(nèi)的絕緣材料快速老化而發(fā)生電流擊穿的事故。針對(duì)上述現(xiàn)象，就需要有針對(duì)性的改進(jìn)方案，在線能夠檢測(cè)開關(guān)柜的接頭溫度就是預(yù)防出現(xiàn)不必要事故的解決方案。這套監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于提高高壓開關(guān)柜的安全性和穩(wěn)定性、保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行都有著重要的作用。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的高壓開關(guān)接頭設(shè)計(jì)是在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的工作環(huán)境下工作的，因此，普通的測(cè)量方法并不能很好的對(duì)開關(guān)接頭的溫度進(jìn)行測(cè)量。而目前溫度測(cè)量的方式主要有三種，分別是貼色片法、光纖測(cè)量法以及紅外測(cè)量法。貼色片法的原理是根據(jù)色片表面的色澤隨著溫度的變化而發(fā)生改變進(jìn)行測(cè)量。但是這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性相對(duì)較差，并且穩(wěn)定性也有一定局限。更為重要的是，貼色片測(cè)量法無法對(duì)封閉的開關(guān)柜接點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。光纖測(cè)量法的原理是利用光纖作為溫度測(cè)量器，通過溫度變化透過光纖的光纖強(qiáng)弱來測(cè)量溫度。這種測(cè)量法也有很大的局限，對(duì)于光源發(fā)射端和接收端的技術(shù)和穩(wěn)定性要求都很嚴(yán)格，并且光纖測(cè)量法測(cè)量速度較慢，空間分辨率較低。而光纖測(cè)量還有一種方式，是利用半導(dǎo)體溫度傳感器當(dāng)作測(cè)試探頭，而光纖只作為傳光的介質(zhì)，這種測(cè)量方式將測(cè)溫點(diǎn)和光調(diào)制器設(shè)計(jì)成一體化結(jié)構(gòu)，這樣的好處是減少了開關(guān)柜的空間，但是這也給開關(guān)柜帶來了一定的安全隱患，同時(shí)需要外加工作電源，一旦進(jìn)行電源更換，就必須停電，這樣就會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前我國(guó)常用的測(cè)量法主要是紅外輻射測(cè)量法。這種測(cè)量法是將被測(cè)目標(biāo)的溫度變化對(duì)應(yīng)紅外輻射變化，從而來測(cè)量溫度的。這種方法是一種非接觸測(cè)量方式，測(cè)量人員通過紅外測(cè)量?jī)x器對(duì)開關(guān)柜的外殼進(jìn)行溫度測(cè)試，不過這種測(cè)量結(jié)果受環(huán)境影響較大，同時(shí)準(zhǔn)確率不高，而且也不能檢測(cè)開關(guān)柜內(nèi)部的接點(diǎn)溫度，也不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線測(cè)試。

本文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用當(dāng)前比較流行的光纖光柵傳感器技術(shù)，配合網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)成高壓開關(guān)柜內(nèi)的接頭溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Χ鄠€(gè)開關(guān)柜進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且體積小，測(cè)量精度非常高，符合電氣要求的安全防爆、抗強(qiáng)電磁的特征。

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

高壓開關(guān)柜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纖光柵傳感系統(tǒng)、光纖光柵調(diào)試系統(tǒng)和光信號(hào)傳輸三部分組成。該系統(tǒng)使用光纖進(jìn)行信號(hào)的輸送，使用光纖光柵作為溫度傳感探頭，而系統(tǒng)的信息采集和處理主要由高速、多路的光電處理主機(jī)完成，而系統(tǒng)的控制中心主要使用工程控制機(jī)。而系統(tǒng)的溫度傳感器光纖光柵的作用，是利用了光纖的光敏屬性，通過紫外光曝光的方式將入射光纖光柵的圖樣輸入到纖芯，而在芯內(nèi)發(fā)生了折射率變化，從而就形成了空間的相位光柵，它的作用相當(dāng)于窄帶的反射濾波器。而寬帶光源發(fā)射的光通過光纖輸送到光纖光柵，而光柵就反射成窄帶光。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光纖光柵的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，調(diào)試系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心，主要由F-P控制器組成的可調(diào)諧濾波器以及信號(hào)處理控制模塊和電光探測(cè)器構(gòu)成。然后利用耦合器的引導(dǎo)光纖光柵發(fā)射光將信號(hào)引導(dǎo)進(jìn)入光纖F-P濾波器，這時(shí)，只有滿足若干條件波長(zhǎng)的光才能起到干涉的效果，并且產(chǎn)生的相干極大。而通過掃描電壓的作用力使得電陶瓷PZT發(fā)生了物理伸縮運(yùn)動(dòng)，因此改變了濾波器的F-P腔長(zhǎng)度，這樣就能改變透過濾波器的波長(zhǎng)。而在調(diào)諧控制電壓的作用力下，導(dǎo)通頻帶可以掃描整個(gè)光柵反射光譜，當(dāng)導(dǎo)通中心波長(zhǎng)和光纖光柵的反射波長(zhǎng)一致時(shí)，探測(cè)器就能以最大功率工作。而光進(jìn)入電光探測(cè)器后就轉(zhuǎn)成電信號(hào)，這時(shí)的電信號(hào)相當(dāng)于光纖光柵發(fā)射光的中心波長(zhǎng)，此時(shí)也正對(duì)應(yīng)待測(cè)的溫度。最后數(shù)據(jù)處理將溫度傳輸?shù)焦こ瘫O(jiān)控機(jī)的顯示屏。

2系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題

2.1光纖光柵溫度傳感器設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)大多是封閉式的，這種工作環(huán)境的空間小、電壓高、電流大，并且具有強(qiáng)磁干擾，而溫度變化范圍相當(dāng)大，在-40 ℃~140 ℃之間，溫度差達(dá)到了180 ℃。

要達(dá)到檢測(cè)多點(diǎn)溫度的要求，光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計(jì)主要要求是：

①中心波長(zhǎng)。通道內(nèi)的光柵波長(zhǎng)設(shè)計(jì)不一致，而且在溫度變化范圍內(nèi)，光柵的波長(zhǎng)變化不重疊、不交叉。

②溫度范圍。設(shè)計(jì)的溫度上限定值在90 ℃以內(nèi)，額定的溫度在70 ℃以下，一旦超過70 ℃就報(bào)警，而溫度沒有超過70 ℃，但頻繁發(fā)生異常，也會(huì)報(bào)警。

③連接。為了便于安裝和維護(hù)，設(shè)計(jì)中的每個(gè)光柵和傳輸光纖的連接主要由法蘭盤進(jìn)行連接。

2.2系統(tǒng)的信號(hào)處理和通信功能

信號(hào)處理功能主要有電光轉(zhuǎn)換功能和輸出信號(hào)的接口模塊來完成。信號(hào)處理主要包括溫度顯示、異常報(bào)警和通信。系統(tǒng)的接口通訊采用了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，將開關(guān)柜的溫度信息導(dǎo)入電力控制管理系統(tǒng)后，就可以實(shí)施開關(guān)柜的遠(yuǎn)程溫度在線監(jiān)控。

2.3系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

①系統(tǒng)能夠?qū)λ斜粶y(cè)點(diǎn)在-40 ℃~140 ℃的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

②F-P可調(diào)濾波器的掃描頻率為100 Hz，測(cè)量點(diǎn)的頻率為0.01 s。

③系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)以上模塊的處理，每個(gè)模塊都可以有多個(gè)檢測(cè)通道。每個(gè)通道有多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)多個(gè)高壓開關(guān)柜。

④系統(tǒng)能夠提供局域網(wǎng)接口，能夠保證集成到其他的控制系統(tǒng)。

3傳感器的安裝和測(cè)試

為了便于安裝和維護(hù)，傳感器經(jīng)過數(shù)次實(shí)驗(yàn)定于安裝在開關(guān)柜的靜觸頭最為科學(xué)。但因?yàn)殪o觸頭后面的絕緣體是由螺絲固定的，同時(shí)觸頭背后有螺桿的干擾，因此決定將傳感器貼著螺桿放置，在兩個(gè)螺釘之間用尖嘴鉗夾緊傳感器，并在傳感器和螺桿之間用導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行固定。而對(duì)于不能在靜觸點(diǎn)安裝的部分高壓柜，就需要在動(dòng)觸頭上安裝一個(gè)溫度傳感器，然后從觸頭的間縫件向外引光纖，當(dāng)傳感器通過固定卡安裝在觸頭的手臂上方，再通過法蘭盤將光纖和傳感器進(jìn)行連接。根據(jù)高壓開關(guān)柜的不同情況，每個(gè)柜子需要6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，為了能夠避免相間爬電和高壓污閃，需要在每3個(gè)開關(guān)柜的底部設(shè)絕緣盒，這樣的好處是開關(guān)柜的傳感器互相獨(dú)立，當(dāng)一處出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他開關(guān)柜的正常工作，保證了系統(tǒng)的安全性。

為了檢測(cè)溫度在線系統(tǒng)的精確性，作者將變壓器的高壓開關(guān)的電壓調(diào)低，從而產(chǎn)生大電流，這樣高壓開關(guān)的溫度急劇增高。這時(shí)，系統(tǒng)和熱電偶的溫度計(jì)同時(shí)放在溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，在溫度升溫和降溫過程中，每1 min記錄一次測(cè)量值。通過實(shí)驗(yàn)可以證明，設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度相當(dāng)迅速，而且溫度定位精確，測(cè)量誤差在0.2 ℃以內(nèi)。

4結(jié)語

高壓開關(guān)柜內(nèi)的接頭溫度一旦過高，就會(huì)對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的金屬材料的強(qiáng)度和壽命帶來很大影響，并且加大了出現(xiàn)事故的幾率。而使用光纖光柵作為溫度傳感器，并結(jié)合計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)在線溫度檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能夠?qū)Χ鄠€(gè)開關(guān)柜的觸頭進(jìn)行溫度檢測(cè)，并且還具有測(cè)量溫度精確度高、安全可靠、抗強(qiáng)電磁的特點(diǎn)。這種檢測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)用在多種場(chǎng)合，例如冶金、石油、煤炭等易燃易爆的場(chǎng)合，應(yīng)用范圍廣泛。

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