摘 要：近幾年來(lái)，電力作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行成為了電力設(shè)備運(yùn)維部門的首要任務(wù)，而發(fā)熱故障一直是設(shè)備運(yùn)行管理過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此變電站運(yùn)行設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量是長(zhǎng)期未解決的難題。從變電站運(yùn)行維護(hù)的工作實(shí)際出發(fā)，論述了國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)高壓帶電設(shè)備溫度測(cè)量的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，綜述了國(guó)內(nèi)當(dāng)前主要采用的運(yùn)行設(shè)備的溫度測(cè)量方法，分析了各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行了初步的探討，并對(duì)變電站運(yùn)行設(shè)備測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行設(shè)備 紅外輻射測(cè)溫 分布式光纖測(cè)溫 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（b）-0021-02

近幾年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，電力作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)重要的組成部分。電能的優(yōu)勢(shì)在于它的來(lái)源廣泛、清潔高效、使用方便、便于傳輸，它已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會(huì)重要的能源，在社會(huì)生產(chǎn)和人民生活中起著非常重要的作用，而且社會(huì)對(duì)電能的需求和依賴與日俱增，因此，電力設(shè)備運(yùn)維部門首先要保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

目前，我國(guó)的電力系統(tǒng)的格局是高電壓輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)，變電站作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，起著承上啟下的重要作用。為了實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離輸送和將電能分配到用戶需將發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)行多次電壓變換，這個(gè)任務(wù)由變電站完成[1]。

由于發(fā)熱故障一直是設(shè)備運(yùn)行管理過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，據(jù)國(guó)家電力安全生產(chǎn)監(jiān)督部門的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年發(fā)生的多起電力事故多是由熱故障引起的[2]。這是因?yàn)橹圃旃に嚥涣肌惭b工藝不規(guī)范和長(zhǎng)期運(yùn)行于惡劣環(huán)境下等原因造成設(shè)備連接點(diǎn)接觸不良，使其接觸電阻增大，而且在設(shè)備運(yùn)行時(shí)又會(huì)出現(xiàn)表面氧化、螺栓松動(dòng)、絕緣老化等現(xiàn)象致使接觸電阻進(jìn)一步增大，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下有可能導(dǎo)致火災(zāi)或嚴(yán)重的人身、設(shè)備事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的社會(huì)影響，因此對(duì)變電站運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是十分必要的。

1 關(guān)鍵技術(shù)

目前，對(duì)變電站運(yùn)行設(shè)備測(cè)溫方法有三種：非接觸式紅外輻射測(cè)溫技術(shù)、光纖測(cè)溫技術(shù)和無(wú)線測(cè)溫技術(shù)。在我國(guó)，多數(shù)變電站都是依靠運(yùn)行人員用紅外測(cè)溫儀對(duì)運(yùn)行設(shè)備易發(fā)熱部位進(jìn)行測(cè)溫，而分布式光纖測(cè)溫技術(shù)和無(wú)線測(cè)溫技術(shù)在變電站中應(yīng)用不廣泛。

1.1 非接觸式紅外輻射測(cè)溫技術(shù)

任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)因自身的原子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外能量，而物體的表面溫度與它所輻射出的能量有著直接的關(guān)系。被測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射信號(hào)通過(guò)紅外探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，傳至顯示器上，從而得物體表面熱分布圖，因此，紅外測(cè)溫儀接收物體發(fā)出的紅外能量從而測(cè)量出物體的表面溫度。上述方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫和熱成像，因此，紅外測(cè)溫技術(shù)開始成為測(cè)溫領(lǐng)域的主流。紅外測(cè)溫儀的原理圖如圖1所示。

但是，紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確度和可靠性受鏡頭光學(xué)變形、拍攝角度、拍攝距離、被測(cè)表面形狀和環(huán)境溫度、濕度、氣壓等因素影響測(cè)量溫度不準(zhǔn)。這種非接觸式紅外測(cè)溫技術(shù)基本能夠滿足電氣設(shè)備在高電壓大電流等運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的要求[3]。運(yùn)行設(shè)備發(fā)熱是溫度不斷變化的過(guò)程，而且也與所在環(huán)境有很大的關(guān)系，當(dāng)運(yùn)行人員運(yùn)用紅外測(cè)溫儀對(duì)電氣設(shè)備接線板、動(dòng)靜觸頭、線夾等易發(fā)熱部位進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱故障點(diǎn)，特別容易誤測(cè)、漏測(cè)；此外，處于障礙物下和密封狀態(tài)的設(shè)備以及設(shè)備內(nèi)部，都不能采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)運(yùn)行人員長(zhǎng)期處在高磁場(chǎng)、高輻射環(huán)境下，對(duì)身體健康影響很大。

1.2 光纖測(cè)溫技術(shù)

1.2.1 分布式光纖測(cè)溫技術(shù)

在光脈沖向前的傳播過(guò)程中，由于光纖的密度、應(yīng)力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發(fā)生散射現(xiàn)象，有一部分的散射光會(huì)按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。其中拉曼散射會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)：斯托克斯光和反斯托克斯光，外部溫度的變化使光纖中的反斯托克斯光強(qiáng)發(fā)生變化，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。溫度計(jì)算公式如下：

（1）

式中，、分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光光強(qiáng)，、分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光頻率，為拉曼散射頻移波數(shù)，僅與光纖材料有關(guān)，為普朗克常量，為玻爾茲曼常量，為光速，為絕對(duì)溫度。

探頭和通信信道都采用光纖，拉曼散射的溫度效應(yīng)用于測(cè)定溫度，光纖的光時(shí)域反射技術(shù)用于對(duì)測(cè)量點(diǎn)的定位，而且光纖的絕緣性能好，能夠在高磁場(chǎng)、高電壓條件下工作。這種分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫光纖、測(cè)溫主機(jī)、工作站及后臺(tái)組成，如圖2所示。

光纖測(cè)溫技術(shù)是一種實(shí)時(shí)在線測(cè)量溫度的技術(shù)，特別適合應(yīng)用于高電壓強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的變電所、高壓線路等，還可以用于變電站其它電信號(hào)和非電信號(hào)的采集和測(cè)量，是目前電力系統(tǒng)通信中正在逐步廣泛應(yīng)用的通信方式[4]。

采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)有很多優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中成本高，布線復(fù)雜，且當(dāng)線路老化時(shí)拆換困難，因此未能廣泛應(yīng)用。

1.2.2 光纖光柵測(cè)溫技術(shù)

光纖光柵是一種反射式光纖濾波器件，通常采用紫外線干涉條紋照射一段10 mm長(zhǎng)的裸光纖，纖芯吸收紫外線發(fā)熱產(chǎn)生永久型折射率周期變化。當(dāng)光束被傳播到光纖光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波，這個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，如公式（2）所示。

（2）

式中，為光柵的布拉格波長(zhǎng)，為光柵的有效折射率，為光柵的條紋周期。溫度變化時(shí)，光柵材料的熱脹冷縮，光柵條紋周期也會(huì)跟隨溫度變化，從而導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)跟著變化。這樣通過(guò)檢測(cè)光柵反射光的波長(zhǎng)變化，就可以知道光柵處的溫度變化。

光纖光柵測(cè)溫技術(shù)與分布式光纖測(cè)溫不同的是，它只測(cè)沿線若干點(diǎn)的溫度而不是測(cè)全線的溫度。光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的工作方式，除以點(diǎn)式測(cè)溫代替分布式光纖的線式測(cè)溫外，其他基本相同[5]。

1.3 無(wú)線測(cè)溫技術(shù)

隨著微電子技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)不斷進(jìn)步，無(wú)線測(cè)溫技術(shù)才逐步發(fā)展起來(lái)。人們對(duì)無(wú)線資源的重視不斷推動(dòng)著低功耗傳感器的快速向前發(fā)展。溫度傳感器的體積微小，但卻集信息采集、處理和無(wú)線通信等功能于一體，大規(guī)模的生產(chǎn)制造更是使得微型節(jié)點(diǎn)成本便宜、價(jià)格低廉[6]。

1.3.1 無(wú)線測(cè)溫技術(shù)組成

無(wú)線測(cè)溫技術(shù)的核心設(shè)備主要由無(wú)線溫度傳感器（如圖3所示）和數(shù)據(jù)處理單元兩部分組成，前者是利用電磁波傳遞溫度信息，將傳感器直接安裝在高壓設(shè)備容易發(fā)熱的部位（如圖4所示），因此溫度測(cè)量準(zhǔn)確，不僅解決了電氣絕緣問(wèn)題，而且受氣候環(huán)境的影響較??；后者則將收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，不但可以顯示實(shí)時(shí)溫度，便于運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)，而且可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，了解溫度變化趨勢(shì)，還可以設(shè)定高溫報(bào)警閥值，發(fā)現(xiàn)溫度突然升高馬上報(bào)警，從而提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)框圖如圖5所示。

1.3.2 無(wú)線測(cè)溫技術(shù)特點(diǎn)

（1）對(duì)于光纖測(cè)溫技術(shù)來(lái)說(shuō)，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，將導(dǎo)致光纖表面放電。這使得用于室外開關(guān)設(shè)備的測(cè)溫應(yīng)用受到限制；而無(wú)線測(cè)溫技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了高壓隔離，且無(wú)需重新布線，這樣不僅可以節(jié)省投入成本，還大大減少運(yùn)維成本。

（2）在高電壓、大電流的運(yùn)行環(huán)境中，電磁干擾無(wú)法避免，為減少這些干擾對(duì)無(wú)線溫度傳感器的影響，其硬件設(shè)計(jì)上采用金屬屏蔽和濾波電路技術(shù)，另外為了消除隨機(jī)干擾，利用被測(cè)設(shè)備溫度變化較為緩慢的特點(diǎn)，適當(dāng)設(shè)定溫度測(cè)量周期、數(shù)據(jù)傳送密度，從而排除異常數(shù)據(jù)，保障溫度監(jiān)測(cè)的高效性和可靠性。

（3）無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)采用無(wú)線組網(wǎng)方式，多個(gè)無(wú)線溫度傳感器分布在無(wú)線信號(hào)接收裝置的周圍，在有效的通訊范圍內(nèi)可以隨意增減甚至移動(dòng)傳感器位置。將后臺(tái)終端安裝于主控室，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度的變化情況，實(shí)現(xiàn)足不出戶掌握設(shè)備的發(fā)熱狀況，進(jìn)而做出正確的判斷。

2 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和有線監(jiān)測(cè)方式都或多或少在這方面或那方面存在缺陷。當(dāng)然，變電站設(shè)備無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)也面臨著它自身的困難和問(wèn)題：電源管理和抗干擾能力。隨著微電子低功耗技術(shù)和抗干擾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線測(cè)溫技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的變電站測(cè)溫技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)將更加凸顯，無(wú)線測(cè)溫技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用會(huì)不斷得到普及，并有著廣闊的發(fā)展空間。

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