高晶,劉劍,王鵬,劉漢文,王永兆(中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057)
位于南海文昌海域的B平臺電力供應(yīng)來自距離B平臺40公里的A平臺,A平臺和B平臺之間通過一套直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行電力輸送。A平臺上設(shè)置有直流輸電整流站,B平臺設(shè)置有直流輸電逆變站,整流站和逆變站之間通過±10 kV的海底電纜進(jìn)行電力傳輸。
位于B平臺的直流輸電逆變站系統(tǒng)有24個可插拔式功率單元,其中正極、負(fù)極各一半。系統(tǒng)自投運以來,經(jīng)常出現(xiàn)單元溫度高停機(jī)情況。逆變功率單元有溫度保護(hù)功能,在散熱器上設(shè)置有兩個串聯(lián)的溫度開關(guān),只要有一個溫度開關(guān)動作就會觸發(fā)關(guān)停。但是,由于沒有有效的檢測手段,維護(hù)人員無法知道溫度開關(guān)動作時散熱片的實際溫度,也就很難進(jìn)一步分析導(dǎo)致溫度高關(guān)停的原因。為了保障直流輸電的安全連續(xù)運行,決定尋找新的測溫技術(shù),以實現(xiàn)對功率單元散熱器的實時溫度監(jiān)測。
直流逆變功率單元后部有電抗器和400 V交流接線母排,前部有高壓直流母排(±10 kV),這些高壓電導(dǎo)致的強(qiáng)電磁場限制了使用導(dǎo)電電纜方式測溫的使用。最近的幾年,光纖依靠它耐高壓、帶寬資源豐富、抗電磁干擾、損耗低等優(yōu)點,受到電網(wǎng)建設(shè)者和設(shè)計者的廣泛關(guān)注[1]。它本體無導(dǎo)電部分,不會引起附加溫升,不收電磁場的干擾,且具備防污閃、配置靈活、施工便捷、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用方便等特性,所以決定使用光纖測溫器對功率單元進(jìn)行溫度監(jiān)測。
光纖測溫按原理不同分為三種,分布式光纖測溫、光柵光纖測溫、熒光光纖測溫。
分布式光纖測溫是利用激光在光纖中傳播時的拉曼散射效應(yīng)對一段光纖進(jìn)行測溫[2],這種方式優(yōu)點在于,單獨一根光纖即時測溫元件,又是數(shù)據(jù)傳輸載體,可以將一根數(shù)km長的光纖分成數(shù)千個段進(jìn)行測溫。但是每個溫度點位置不精確,僅能精確到1 m內(nèi)。多用于隧道防火,長距離電纜測溫。由于B平臺直流輸電功率元件要求散熱片精準(zhǔn)位置測溫,所以不適合采用分布式光纖測溫。
光柵光纖測溫原理如下:首先光柵會對入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射,反射一個中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光刺,即反射窄帶光刺與光柵結(jié)構(gòu)相關(guān),但石英光纖格柵會受溫度影響發(fā)生熱脹冷縮,反射光頻率會改變[3]。利用此原理可以精確測量光柵處溫度,同時只要光柵的反射光刺不會重疊,就可以將它們串接到一根光纖上,可以實現(xiàn)一根光纖測多個溫度(最多40個)。而B平臺直流輸電功率元件是抽出單元式,需要在故障或者其它必要的情況下拆卸,如果使用光纖串接,則不方便單元更換,因此直流輸電不適合采用該測溫技術(shù)。
熒光光纖測溫是采用熒光材料受激后熒光壽命與溫度相關(guān)的原理進(jìn)行測溫[4],其傳感器體積小,一個光纖一個測量點,方便抽出式的安裝,傳送光纖絕緣,相對其它兩種成本較低,非常適用于電力行業(yè)使用。熒光光纖測溫的特點比較適合直流輸電功率單元的使用。
基于三種光纖測溫原理及使用特點的分析,最終選用熒光光纖測溫系統(tǒng)對B平臺的直流輸電逆變功率模塊進(jìn)行溫度監(jiān)測。
光纖測溫系統(tǒng)安裝后的相關(guān)功率單元散熱器的溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)需要接入人機(jī)界面實現(xiàn)顯示,信號接入有三個方法選擇。首先,可以增設(shè)專用的電腦,將監(jiān)控數(shù)據(jù)接入專用電腦進(jìn)行監(jiān)控。但是這種方法需要額外購置電腦,為電腦提供新的位置存放,平臺空間有限,同時出于降本增效的考慮,不考慮這種方法。其次,監(jiān)控數(shù)據(jù)可以接入直流輸電系統(tǒng)的本體的監(jiān)控系統(tǒng),但是這個監(jiān)控系統(tǒng)是用VC編寫的,為專用程序,需要直流輸電公司專業(yè)工程師修改調(diào)試程序才能實現(xiàn)。由于廠家工程師人員協(xié)調(diào)較為困難,且人員勞務(wù)費用較高,因此不考慮這種接入方法。最后,監(jiān)控數(shù)據(jù)可以接入位于B平臺中央控制室(以下簡稱“中控室”)的監(jiān)控觸摸屏,觸摸屏的組態(tài)較為簡單,修改也很方便,只需要在原有系統(tǒng)上進(jìn)行升級即可。經(jīng)過綜合考慮,最終確定溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)接入位于B平臺中央控制室的監(jiān)控觸摸屏。
經(jīng)過篩選,選擇HQ-28熒光光纖測溫模塊和LumaProbe SP熒光光纖溫度傳感探針作為該套光纖測溫技術(shù)的基礎(chǔ)原件。考慮到模塊所需的電源線以及模塊信號傳送至中控系統(tǒng)所需要的通信電纜,該套測溫系統(tǒng)所需要的相關(guān)原件及材料如表1所示。
表1 相關(guān)原件及材料
24根光纖將24個功率單元的散熱器溫度傳送至測溫模塊,每個測溫模塊有8個測溫回路,使用其中6個,另外作為備用。測溫模塊將溫度通過485通訊線將溫度信號傳送至位于中控室的觸摸屏。觸摸屏的軟件負(fù)責(zé)顯示24個功率單元的實時溫度并進(jìn)行記錄,同時根據(jù)溫度上漲情況,根據(jù)溫度上漲情況反饋至直流輸電空調(diào)的PLC模塊,實現(xiàn)功率單元箱內(nèi)部的溫度控制反饋。具體構(gòu)架圖如圖1所示。
圖1 測溫裝置構(gòu)架圖
中控室觸摸屏的人機(jī)界面主要負(fù)責(zé)顯示24個功率單元散熱器實時溫度,每個溫度模塊顯示6個功率單元的溫度,如圖2所示。由于系統(tǒng)具備對溫度進(jìn)行記錄的功能,人機(jī)界面還包括歷史溫度查詢頁面,可以隨時查詢存檔的歷史數(shù)值如圖3所示。
圖2 6個功率單元的溫度
圖3 存檔的歷史數(shù)值
光線測溫技術(shù)在直流輸電系統(tǒng)中現(xiàn)溫度實時顯示監(jiān)控的功能之外,還以進(jìn)一步發(fā)掘光纖溫度監(jiān)測所記錄的數(shù)據(jù)價值。通過這些數(shù)據(jù)的分析,可以總結(jié)溫度與負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系,實現(xiàn)預(yù)知維修,提前預(yù)警,防患未然,避免潛在安全隱患和事故的作用。通過所有功率單元之間溫度的比對,可以進(jìn)一步分析找到通風(fēng)不良的部位,再通過通風(fēng)風(fēng)道的改善,改善系統(tǒng)散熱能力,徹底解決溫度高關(guān)停問題。
光纖測溫技術(shù)在文昌海域B平臺直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用,讓平臺人員實現(xiàn)了中控室對直流輸電系統(tǒng)功率單元的實時溫度監(jiān)控,及時預(yù)知潛在的散熱器故障,并預(yù)判直流輸電系統(tǒng)潛在的空調(diào)控制故障,極大的提高了設(shè)備穩(wěn)定性。為海洋石油及其他相關(guān)電力行業(yè)溫度監(jiān)控問題提供了較好的解決方案和相關(guān)經(jīng)驗。