李曉江，任章鰲

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司荊門供電公司，湖北荊門448000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

電力系統(tǒng)一、二次設(shè)備在運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)、選型、施工、防腐、檢修、操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌木植繙囟犬惓?，這些溫度異常部位不管是電壓型、電流型還是電磁型致熱，絕對(duì)多數(shù)都可以通過紅外成像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，但全封閉式開關(guān)柜除外。

《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》重點(diǎn)強(qiáng)調(diào):加強(qiáng)開展開關(guān)柜內(nèi)部溫度測(cè)量，對(duì)溫度異常的開關(guān)柜強(qiáng)化測(cè)量、分析、診斷和檢修，防止導(dǎo)電回路出現(xiàn)過熱點(diǎn)引發(fā)的柜內(nèi)設(shè)備損壞或短路故障。2015年國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)檢技術(shù) (2015)53號(hào)文件 《關(guān)于國(guó)網(wǎng)運(yùn)檢部開展消弧線圈和開關(guān)柜設(shè)備專項(xiàng)治理工作的通知》要求，各供電公司組織排查10 kV、35 kV消弧線圈和開關(guān)柜缺陷，并落實(shí)專項(xiàng)消缺工作。

為滿足防爆、防人身傷害要求，目前國(guó)內(nèi)供電系統(tǒng)通常采取全封閉式開關(guān)柜。此類裝置把一、二次設(shè)備封閉在開關(guān)柜內(nèi)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)溫度異常時(shí)，其紅外輻射量傳導(dǎo)到柜外已經(jīng)相當(dāng)微弱，紅外成像檢測(cè)很難發(fā)現(xiàn)異常，且無法準(zhǔn)確定位。筆者通過大量的實(shí)際調(diào)研，提出了利用光纖光柵測(cè)溫技術(shù)來解決開關(guān)柜內(nèi)動(dòng)靜觸頭溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的新思路，并在某變電站進(jìn)行了試點(diǎn)建設(shè)工作，填補(bǔ)了以往全封閉式開關(guān)柜帶電溫度檢測(cè)的技術(shù)空白，取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 光纖光柵測(cè)溫技術(shù)

采用傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫儀，無法測(cè)到開關(guān)柜內(nèi)刀閘或接線排溫度；同時(shí)，開關(guān)柜工作時(shí)帶有高電壓，必須閉鎖柜門，禁止打開進(jìn)行測(cè)溫。光纖光柵首先具有感溫特性，對(duì)溫度變化靈敏高、感溫范圍大；其次具有絕緣特性，幾乎不導(dǎo)電，不吸附水分；再者其信號(hào)傳輸性能優(yōu)良，抗大磁場(chǎng)輻射，傳輸損耗低；最后其還可以實(shí)現(xiàn)多種方式的信號(hào)傳輸，信道冗余度相對(duì)開關(guān)柜測(cè)溫點(diǎn)較大，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)堵塞情況。這樣通過光纖光柵不僅可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)準(zhǔn)確測(cè)溫，還可以完成大范圍分布式測(cè)溫。從而實(shí)現(xiàn)電力高壓封閉式設(shè)備的即時(shí)溫度測(cè)量，并分析測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警，為狀態(tài)檢修工作提供依據(jù)。

將光纖光柵感溫傳感器植入10 kV開關(guān)柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了柜內(nèi)主要設(shè)備的溫度測(cè)量，此測(cè)量系統(tǒng)集成了三方面的技術(shù):

1)絕緣子隔離。三相傳感器之間增加絕緣子，加大爬電距離，防止極端情況下 (如凝露)產(chǎn)生爬電，提高可靠性。

2)應(yīng)用高靈敏度、高精度、大量程的光纖光柵感溫傳感器，并與10 kV開關(guān)柜內(nèi)動(dòng)靜觸頭導(dǎo)電排直接接觸，可隨時(shí)得到接觸點(diǎn)的溫度及其變化趨勢(shì)。

3)采集原件屬于無源裝置，無需另外供電。

光纖光柵受熱會(huì)發(fā)生兩方面的變化:一是對(duì)光線的折射率會(huì)發(fā)生變化；二是柵格周期會(huì)發(fā)生變化。感溫特性可將外界環(huán)境溫度變化的信息轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)的變化，通過測(cè)量光纖中光波的波長(zhǎng)變化，就能反應(yīng)出被測(cè)設(shè)備的溫度變化。光纖光柵感溫效應(yīng)與布拉格波長(zhǎng)變化的相互關(guān)系:

式中 λB為布拉格波長(zhǎng)；ξ為光纖光柵的熱光相關(guān)系數(shù)；α為光纖光柵的熱膨脹系數(shù)。

光纖光柵感溫傳感器具有應(yīng)變特性主要是由彈光效應(yīng)和彈性效應(yīng)共同作用的結(jié)果，相互關(guān)系為:

式中 Pe為光纖的有效彈性系數(shù)。

光纖傳感分析儀的工作機(jī)理是:分析儀定時(shí)向光纖光柵感溫傳感器發(fā)出一束不間斷的寬帶光波，此寬帶光波在傳感器內(nèi)部會(huì)被反射回某一中心波長(zhǎng)的窄帶光波，其波長(zhǎng)與傳感器所測(cè)量處的溫度成線性相關(guān)，這樣通過確定窄帶反射光波的中心波長(zhǎng)就可以間接得出測(cè)量處溫度，如圖1所示。

圖1 光纖光柵感溫特性

光纖光柵感溫傳感器可多組串、并聯(lián)布置，每只傳感器對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)編碼，光纖傳感分析儀解析對(duì)應(yīng)編碼的反射波，即可得到特定傳感器的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，如圖2所示。

圖2 光纖編碼實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量

2 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

整套測(cè)溫系統(tǒng)由4個(gè)部分構(gòu)成:前端光柵感溫傳感器、中間光纖傳感數(shù)據(jù)分析儀、尾端監(jiān)控告警平臺(tái)以及連接它們的光纖光纜。

前端光柵感溫傳感器與10 kV開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備直接接觸，連續(xù)測(cè)量設(shè)備節(jié)點(diǎn)溫度；然后通過光纖把測(cè)量光波反饋給光纖傳感分析儀，經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算與分析得出各節(jié)點(diǎn)溫度，隨即發(fā)送到尾端監(jiān)控告警平臺(tái)；監(jiān)控告警平臺(tái)保持、分析數(shù)據(jù)，滿足大存儲(chǔ)空間的要求，并對(duì)節(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判斷節(jié)點(diǎn)溫度及其變化趨勢(shì)是否合乎規(guī)定，做出正常或告警提示，以圖形化界面友好顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 溫度監(jiān)控告警系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)主要功能

1)在線自動(dòng)檢測(cè):自動(dòng)測(cè)溫，并即時(shí)發(fā)送測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)到監(jiān)控告警平臺(tái)，平臺(tái)自動(dòng)分析、判斷并做出正?；蚋婢崾?。

2)光纖數(shù)據(jù)傳輸:光纖光柵感溫傳感器與光纖傳感分析儀之間應(yīng)用全光纖相連，避免了強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，提高此測(cè)溫系統(tǒng)的抗干擾能力。

3)無需電池供電:光纖光柵感溫傳感器不需要供電就可以工作，為無源裝置，不需要相關(guān)維護(hù)。

4)高性能溫度傳感器:應(yīng)用高精度、高可靠性、大量程的光纖光柵感溫傳感器來測(cè)溫，能即時(shí)、精確地得出測(cè)量點(diǎn)溫度。

5)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè):數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控告警平臺(tái)主機(jī)，運(yùn)檢人員可以隨時(shí)登錄系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6)超溫報(bào)警:可依據(jù)相關(guān)規(guī)程或?qū)嶋H狀況來設(shè)定預(yù)警值，當(dāng)所測(cè)數(shù)據(jù)大于此值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做出告警。

7)設(shè)備趨勢(shì)分析:終端計(jì)算機(jī)對(duì)所測(cè)開關(guān)柜內(nèi)主要設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)長(zhǎng)期記錄，并實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，形成任意時(shí)間段內(nèi)的溫度曲線可供運(yùn)檢人員直觀分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為下一步采取相應(yīng)的檢修策略提供依據(jù)。

3 溫度監(jiān)控告警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及評(píng)估

目前，全封閉式開關(guān)柜的帶電檢測(cè)手段有:暫態(tài)地電波、超聲波和超高頻測(cè)量，但這3種方法都很難發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)重要設(shè)備的發(fā)熱異常。研制的溫度監(jiān)控告警系統(tǒng)采取光纖光柵測(cè)溫技術(shù)作為10 kV開關(guān)柜內(nèi)主要設(shè)備的溫度監(jiān)控手段，運(yùn)用可靠的光纖通信、數(shù)字化溫度測(cè)量、微型電子和感應(yīng)技術(shù)，測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)的溫度，并分析、判斷溫度是否異常，有效解決了難以帶電巡查開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備狀態(tài)的難題，提高了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用概況

光纖光柵測(cè)溫監(jiān)控告警成套系統(tǒng)經(jīng)過充分的方案論證，詳細(xì)的布局設(shè)計(jì)，選取某220 kV變電站負(fù)荷較大的7面開關(guān)柜，按照每面柜上下三相6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行傳感器安裝，另外在6號(hào)柜體內(nèi)加入了一個(gè)環(huán)境溫度測(cè)量點(diǎn)。變電站10 kV室內(nèi)情況如圖4所示。

圖4 光纖光柵測(cè)溫監(jiān)控告警系統(tǒng)安裝地點(diǎn)

3.2 系統(tǒng)安裝概況

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前，完成了光纖光柵感溫傳感器選型和耐壓試驗(yàn)、光電測(cè)量、波長(zhǎng)與溫度轉(zhuǎn)換計(jì)算、信號(hào)傳輸方式和接口的選擇、光纖光柵凝露試驗(yàn)等?，F(xiàn)場(chǎng)安裝分為4個(gè)階段:①波浪型布置光纖光柵感溫傳感器，并適當(dāng)加入絕緣子串，提高光纖連接的可靠性和防凝露特性；②在電纜夾層內(nèi)安裝光纖光纜，用于感溫傳感器與光纖傳感分析儀之間通信；③利用主控室屏柜或柜體內(nèi)閑置單元，布置光纖傳感分析儀；④在監(jiān)控告警平臺(tái)主機(jī)上安裝監(jiān)控告警軟件。

502膠水由有機(jī)高分子組成，絕緣性能優(yōu)良，膠粘能力突出，使用它來固定連接傳感器與被測(cè)溫部件；708膠是密封膠，使用它封閉傳感器四周，并用金屬扎帶將傳感器扎緊確保安裝牢固，最后用線卡將光纖輕輕掛起固定，如圖5所示。將開關(guān)柜內(nèi)連接傳感器的光纖都?xì)w集到一處，利于安裝和保護(hù)，最后用光纜連接到光纖傳感分析儀，如圖6所示。

圖5 光纖光柵感溫傳感器布局

圖6 傳感器分析儀安裝

安裝完成后，進(jìn)行設(shè)備聯(lián)調(diào)和驗(yàn)證，確保感溫傳感器可靠連接、系統(tǒng)通信正常可靠、監(jiān)控告警平臺(tái)運(yùn)行正常、現(xiàn)場(chǎng)溫度和測(cè)量數(shù)據(jù)間誤差0.5℃以內(nèi)、耐壓試驗(yàn)前后系統(tǒng)測(cè)量無偏差，聯(lián)調(diào)和驗(yàn)證完成后整套測(cè)溫系統(tǒng)投入試運(yùn)行。

3.3 系統(tǒng)性能及效益評(píng)估

此光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)已在該220 kV變電站運(yùn)行1年半，目前運(yùn)行狀況良好，顯著提高了運(yùn)檢人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷的能力。特別是迎峰度夏、迎峰度冬和重大保電任務(wù)期間能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患并處理，大幅避免了由于開關(guān)柜內(nèi)部故障引起的停電。

此光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可靠的柜內(nèi)溫度測(cè)量，完全克服了之前無法測(cè)量柜內(nèi)設(shè)備溫度，無法預(yù)判設(shè)備狀態(tài)的局面。通過此系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的溫度和變化趨勢(shì)，可有效減少巡視周期，降低運(yùn)維人力成本。

該220 kV變電站為該市500 kV電源點(diǎn)和220 kV電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)變電站，也是市郊兩集鎮(zhèn)、重要化工、水泥企業(yè)的電源點(diǎn)，多條10 kV線路經(jīng)常重載，開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備損壞時(shí)有發(fā)生。2012年至2015年間，該站10 kV開關(guān)柜每年因設(shè)備過熱損壞停電達(dá)3次左右，搶修費(fèi)用約22萬元；每年因停電造成設(shè)備陪檢、多檢情況也經(jīng)常發(fā)生，浪費(fèi)大量人力、物力。光纖測(cè)溫系統(tǒng)在該站投入使用后，及時(shí)發(fā)現(xiàn)2起柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱異常，為處理設(shè)備缺陷和降低客戶損失提供了充足反應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié)論

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)，成功地將光纖光柵感溫特性應(yīng)用到全封閉、高磁場(chǎng)空間的測(cè)溫工作中，經(jīng)過1年多的試運(yùn)行，運(yùn)檢人員的工作效率得以大幅提高，達(dá)到預(yù)期效果。此系統(tǒng)不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱異常，為檢修工作定點(diǎn)定位；也可以繪制設(shè)備溫度變化趨勢(shì)圖，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)、狀態(tài)評(píng)價(jià)；還可以有效避免單臺(tái)開關(guān)柜拒動(dòng)引發(fā)相應(yīng)10 kV母線失壓事故；當(dāng)然也可以降低設(shè)備檢修次數(shù)，減少停電時(shí)間，讓優(yōu)質(zhì)供電服務(wù)的承諾得以實(shí)現(xiàn)。

〔1〕鄔鋼，李進(jìn).光纖在開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 〔J〕.高電壓技術(shù)，2006，32(2):122.

〔2〕孟慶民.高壓開關(guān)設(shè)備的溫度在線監(jiān)測(cè)研究 〔J〕.高壓電器，2006，42(5):352-354.

〔3〕王耀才，朱建銘，徐釗，等.關(guān)于光纖溫度傳感器的研究〔J〕.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1990，19(2):50-55.

〔4〕王新彤.基于光纖光柵的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用 〔D〕.保定:華北電力大學(xué)，2010.