高 勁,黃山山,余 龍,蘇永健

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光纖測溫在地鐵供電系統(tǒng)管理中的應(yīng)用研究

高 勁,黃山山,余 龍,蘇永健

光纖測溫具有安全、穩(wěn)定、抗電磁干擾、測溫精度高等優(yōu)點，可應(yīng)用于地鐵變電站電纜、開關(guān)柜等在惡劣、高危環(huán)境中的局部過熱點的溫度監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

光纖測溫；局部過熱；在線監(jiān)測

0 引言

城市軌道交通系統(tǒng)促進了城市與社會的發(fā)展，其供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行為軌道交通系統(tǒng)提供重要保障。隨著軌道交通的不斷延伸與運力的增加，供電系統(tǒng)負荷不斷攀升，變電站內(nèi)的電纜和開關(guān)柜接線觸點會產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，及時掌握電纜、接頭的溫度情況可有效避免故障發(fā)生，確保地鐵供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。本文通過介紹光纖測溫系統(tǒng)在廣州地鐵某變電站中的現(xiàn)場應(yīng)用情況，測試光纖測溫技術(shù)在地鐵變電站中的故障監(jiān)測效果。

1 電力設(shè)備故障分析

1.1 電纜故障原因分析

電纜作為供電系統(tǒng)的“神經(jīng)”，出現(xiàn)故障的主要原因是由于機械、化學(xué)腐蝕、長期過負荷運行等因素造成電纜絕緣層損傷，電纜內(nèi)部溫度升高導(dǎo)致電纜擊穿并發(fā)生火災(zāi)。

1.2 開關(guān)柜故障原因分析

開關(guān)柜內(nèi)的電纜接頭、直流/交流斷路器動靜觸頭及電氣設(shè)備的連接頭由于設(shè)備的長期運行，可靠性和接觸性能變差，極易出現(xiàn)故障。其原因主要是接頭、觸頭處接觸不良，接觸電阻較大，在大電流情況下熱功率較大，從而造成過熱，加劇接觸面氧化，使接觸電阻進一步增大，觸頭溫升過高，嚴重時甚至燒毀，造成停電等嚴重事故。

1.3 電力設(shè)備熱故障監(jiān)測

電力設(shè)備故障的類型繁多且原因復(fù)雜，防止局部溫升過高是保證電力設(shè)備正常運行的重要手段。由于高壓開關(guān)柜觸頭和電纜處于高壓、高溫以及極強的電磁干擾環(huán)境中，要實現(xiàn)對觸頭的測溫，必須解決電子測量裝置在上述環(huán)境條件下的適應(yīng)性，而光纖測溫利用光學(xué)傳感原理，具有安全、大容量、長期可靠、抗電磁干擾、測溫精度高、實時在線等優(yōu)點，可滿足上述環(huán)境下的溫度測量要求。

2 光纖測溫技術(shù)特點

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)，是20世紀70年代中期以來國際上發(fā)展最快的高科技應(yīng)用技術(shù)之一。光纖傳感技術(shù)主要分為2種，一種是以光纖直接作為傳感器，另一種是以光柵為基礎(chǔ)的傳感器。光纖傳感器FOS（Fiber Optical Ssensor）與電傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器以光作為敏感信息的載體，以光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有抗電磁干擾，耐腐蝕，無源實時監(jiān)測，電絕緣、防爆性好，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，使用壽命長，傳輸距離遠，維護方便等特點。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

對廣州地鐵某變電站重要部位進行溫度在線監(jiān)測：110 kV GIS進線電纜、33 kV GIS進出線電纜、DC 1 500 V開關(guān)柜出線電纜、整流柜變流功率元件以及主回路連接點、動力變壓器出線連接點、直流斷路器觸頭及主回路連接點、交流低壓斷路器觸頭、隔離開關(guān)連接點、母線槽本體及主回路連接點等。當監(jiān)測點超溫時發(fā)出預(yù)警信號，應(yīng)用系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警軟件，對母線、電纜的運行溫度進行診斷，針對不同故障進行預(yù)警（圖1）。

圖1 光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 開關(guān)柜監(jiān)測

針對該地鐵變電站的現(xiàn)場情況，在110 kV主變電站電纜夾層內(nèi)安裝1臺高精度光纖光柵信號解調(diào)儀，對每個出線柜測溫點的溫度、溫升信息進行分析，預(yù)警報告。其中，每個1 500 V直流柜進線、出線各設(shè)1個監(jiān)測點；1面負極柜帶雙隔離刀開關(guān)需要設(shè)置4個點；整流柜整流二極管設(shè)1個監(jiān)測點，進出線連接點各設(shè)1個監(jiān)測點；AC 380 V交流低壓柜三相火線一相零線，進線1個監(jiān)測點，出線1個監(jiān)測點；2臺33 kV動力變壓器出線母線每相各設(shè)1個監(jiān)測點；母線槽中間位置設(shè)4個點，兩端各4個點，2個轉(zhuǎn)接彎頭各設(shè)4個點。

3.2 電纜分布式溫度監(jiān)測

DC 1 500 V直流電纜8個回路，每一回路4根電纜，每4根電纜平行敷設(shè)，2根直流電纜之間敷設(shè)一段分布式測溫光纜，每一段為50 m，合計 1 200 m（含10%的冗余）。110 kV和33 kV電纜每一回路為3根電纜（三相）并排敷設(shè)，敷設(shè)分布式測溫光纜時呈S形平行敷設(shè)即可，即3根電纜敷設(shè)一小段光纜，每一小段為50 m；110 kV電纜2個回路、33 kV電纜6個回路，每個回路電纜敷設(shè)1段光纜，合計1 200 m（含10%冗余）。重點監(jiān)測區(qū)域可通過延長光纜長度增加光纜的受熱長度，以提高監(jiān)測的準確性。

3.3 監(jiān)測軟件實施

變電站光纖測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件在30 s內(nèi)可完成對電力高壓開關(guān)柜、直流開關(guān)柜、交流開關(guān)柜、供電電纜的溫度數(shù)據(jù)的采集、分析處理，實時顯示各測點溫度分布情況，通過設(shè)置報警閾值發(fā)現(xiàn)異常溫度后，利用聲光、短信及時推送報警信息。

4 實施效果

該變電站在光纖光柵、光纖分布式測溫系統(tǒng)安裝完畢后，對系統(tǒng)精度進行了驗證并試運行。

4.1 系統(tǒng)驗證

4.1.1 分布式測溫精度與定位準確性測試

將分布式測溫主機的某通道預(yù)留光纜的預(yù)留環(huán)放入恒溫水槽中，保持5 min，讀取恒溫水槽中的溫度計讀數(shù)，與光纖測溫系統(tǒng)主機的記錄數(shù)據(jù)相比較，檢驗分布式測溫系統(tǒng)的精度。為保證數(shù)據(jù)的準確性，實驗共選取50、60、70 ℃做恒溫測試，實驗方法如圖2所示。

圖2 分布式測溫精度測試方法

通過實際測試，該分布式監(jiān)測儀器測溫精度為±1 ℃，定位精度為±1m，滿足現(xiàn)場實際應(yīng)用需求（圖3）。

4.1.2 開關(guān)柜母線接頭溫度測試

光纖光柵測溫測試采用非接觸式HTY-10紅外測溫槍，依據(jù)《110 kV變電站設(shè)備現(xiàn)場檢驗規(guī)范》，將現(xiàn)場R1整流器高壓開關(guān)柜檢測傳感器安裝位置的溫度情況與光纖測溫系統(tǒng)主機記錄的數(shù)據(jù)對比，檢驗光纖光柵測溫的準確性，結(jié)果顯示光纖光柵溫度傳感器標校誤差滿足技術(shù)指標（表1）。

圖3 電纜沿線溫度測試

表1 光纖光柵測溫測試結(jié)果 ℃

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖4是2016年1月4日—2月4日整流柜（R1-1U21）R1觸點接頭的溫度變化情況，可以看出，整流柜接頭溫度變化一致性較好，說明傳感器工作正常。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，每日早上6：00左右溫度最高，說明此刻工作負載最大，電流也較大。

圖4 觸點歷史數(shù)據(jù)

圖5是2016年1月4日—2月4日IP-12變壓器側(cè)A、B、C三相電路接頭的溫度變化情況，由圖可以看出，三相溫度整體變化趨勢基本一致，溫度變化高低趨勢明顯，說明供電運行正常。

圖6是110 kV供電電纜Ⅰ回路電纜的表面溫度分布情況，該數(shù)據(jù)為實時數(shù)據(jù)，從圖中看出，電纜表面溫度變化相對平穩(wěn)，溫度變化較為恒定，未出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。

圖5 觸點歷史數(shù)據(jù)

圖6 電纜沿線溫度分布

5 結(jié)語

本案例應(yīng)用結(jié)果表明：分布式光纖測溫系統(tǒng)可以連續(xù)實時測量電纜沿線內(nèi)各點的溫度，定位精度可以達到1 m的量級，測溫精度可以達到±1 ℃，對大范圍的溫度場可進行有效實時在線檢測。

光纖測溫系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，抗電磁干擾，不導(dǎo)電，安全性高，尤其適用于供電設(shè)備集中多點溫度監(jiān)控，布線靈活、美觀；長久耐用，施工周期短，便于推廣。光纖測溫技術(shù)適合地鐵變電站電纜與電力設(shè)備的日常監(jiān)測，可為供電設(shè)備的穩(wěn)定運行提供重要保障。

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The optical fiber temperature measurement technology has advantages of intrinsically safety, long-term stability, electromagnetic interference-proofing and high accuracy for temperature measurement. It can be applied at harsh and high risk environments in subway substation to monitor local overheating of cables and cabinets, find potential risks of equipment and guarantee reliable operation of power supply system.

Optical fiber temperature measurement; local overheating; on-line monitoring

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.005

U231.8

B

1007-936X(2017)05-0019-03

高 勁.廣州地鐵集團有限公司，工程師；黃山山.廣州地鐵集團有限公司，工程師；余 龍.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，高級工程師；蘇永健.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，工程師。

2017-04-19