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)計了能夠測量高壓開關(guān)柜內(nèi)部的接頭溫度的實時監(jiān)控系統(tǒng)。這套實時監(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。該實時監(jiān)控系統(tǒng)主要根據(jù)光纖光柵具有反射波長的屬性以及對溫度變化有很好的反應(yīng)的屬性，從而達(dá)到測量不同溫度下的光柵反射波長變化的目的。該實時監(jiān)控系統(tǒng)在通過數(shù)據(jù)處理后，可以實時精確地顯示溫度變化。該系統(tǒng)還可以對多個開關(guān)柜接點的溫度進(jìn)行精測測量，同時還具有溫度報警功能，一旦溫度超過預(yù)設(shè)值，即可實施報警。文章對系統(tǒng)進(jìn)行了多項測試，對開關(guān)柜的接頭溫度進(jìn)行了反復(fù)測試，測試誤差均保持在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，從而可以實現(xiàn)對高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭溫度的遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；溫度；實時監(jiān)測；光纖光柵溫度傳感器

中圖分類號：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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，是控制整個電力系統(tǒng)的電力基本保障。隨著我國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行了無人值班和綜合自動化的管理模式，這種管理模式對于高壓開關(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，那么接觸電阻就會急劇增大，直接導(dǎo)致負(fù)載電流在經(jīng)過時出現(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，甚至因為開關(guān)柜內(nèi)的絕緣材料快速老化而發(fā)生電流擊穿的事故。針對上述現(xiàn)象，就需要有針對性的改進(jìn)方案，在線能夠檢測開關(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。

因為傳統(tǒng)的高壓開關(guān)接頭設(shè)計是在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場的工作環(huán)境下工作的，因此，普通的測量方法并不能很好的對開關(guān)接頭的溫度進(jìn)行測量。而目前溫度測量的方式主要有三種，分別是貼色片法、光纖測量法以及紅外測量法。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)行測量。但是這種測量方法的缺點是準(zhǔn)確性相對較差，并且穩(wěn)定性也有一定局限。更為重要的是，貼色片測量法無法對封閉的開關(guān)柜接點進(jìn)行測量。光纖測量法的原理是利用光纖作為溫度測量器，通過溫度變化透過光纖的光纖強(qiáng)弱來測量溫度。這種測量法也有很大的局限，對于光源發(fā)射端和接收端的技術(shù)和穩(wěn)定性要求都很嚴(yán)格，并且光纖測量法測量速度較慢，空間分辨率較低。而光纖測量還有一種方式，是利用半導(dǎo)體溫度傳感器當(dāng)作測試探頭，而光纖只作為傳光的介質(zhì)，這種測量方式將測溫點和光調(diào)制器設(shè)計成一體化結(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，這樣就會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前我國常用的測量法主要是紅外輻射測量法。這種測量法是將被測目標(biāo)的溫度變化對應(yīng)紅外輻射變化，從而來測量溫度的。這種方法是一種非接觸測量方式，測量人員通過紅外測量儀器對開關(guān)柜的外殼進(jìn)行溫度測試，不過這種測量結(jié)果受環(huán)境影響較大，同時準(zhǔn)確率不高，而且也不能檢測開關(guān)柜內(nèi)部的接點溫度，也不能進(jìn)行實時的在線測試。

本文的監(jiān)測系統(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)和計算機(jī)技術(shù)，設(shè)計成高壓開關(guān)柜內(nèi)的接頭溫度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。優(yōu)點是能夠?qū)Χ鄠€開關(guān)柜進(jìn)行在線實時監(jiān)測，并且體積小，測量精度非常高，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)和光信號傳輸三部分組成。該系統(tǒng)使用光纖進(jìn)行信號的輸送，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)計中光纖光柵的溫度檢測系統(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)諧濾波器以及信號處理控制模塊和電光探測器構(gòu)成。然后利用耦合器的引導(dǎo)光纖光柵發(fā)射光將信號引導(dǎo)進(jìn)入光纖F-P濾波器，這時，只有滿足若干條件波長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，因此改變了濾波器的F-P腔長度，這樣就能改變透過濾波器的波長。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光柵反射光譜，當(dāng)導(dǎo)通中心波長和光纖光柵的反射波長一致時，探測器就能以最大功率工作。而光進(jìn)入電光探測器后就轉(zhuǎn)成電信號，這時的電信號相當(dāng)于光纖光柵發(fā)射光的中心波長，此時也正對應(yīng)待測的溫度。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

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)到檢測多點溫度的要求，光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計主要要求是：

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

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

③連接。為了便于安裝和維護(hù)，設(shè)計中的每個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)的信號處理和通信功能

信號處理功能主要有電光轉(zhuǎn)換功能和輸出信號的接口模塊來完成。信號處理主要包括溫度顯示、異常報警和通信。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點在-40 ℃~140 ℃的溫度值進(jìn)行實時檢測。

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

③系統(tǒng)可以實現(xiàn)2個以上模塊的處理，每個模塊都可以有多個檢測通道。每個通道有多個測量點，系統(tǒng)可以同時實時檢測多個高壓開關(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傳感器的安裝和測試

為了便于安裝和維護(hù)，傳感器經(jīng)過數(shù)次實驗定于安裝在開關(guān)柜的靜觸頭最為科學(xué)。但因為靜觸頭后面的絕緣體是由螺絲固定的，同時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。而對于不能在靜觸點安裝的部分高壓柜，就需要在動觸頭上安裝一個溫度傳感器，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，每個柜子需要6個監(jiān)測點。同時，為了能夠避免相間爬電和高壓污閃，需要在每3個開關(guān)柜的底部設(shè)絕緣盒，這樣的好處是開關(guān)柜的傳感器互相獨立，當(dāng)一處出現(xiàn)故障時不會影響其他開關(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，系統(tǒng)和熱電偶的溫度計同時放在溫度監(jiān)測點上，在溫度升溫和降溫過程中，每1 min記錄一次測量值。通過實驗可以證明，設(shè)計的溫度檢測系統(tǒng)的反應(yīng)速度相當(dāng)迅速，而且溫度定位精確，測量誤差在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，就會對開關(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)合計算機(jī)通訊技術(shù)設(shè)計的實時在線溫度檢測系統(tǒng)，不僅能夠?qū)Χ鄠€開關(guān)柜的觸頭進(jìn)行溫度檢測，并且還具有測量溫度精確度高、安全可靠、抗強(qiáng)電磁的特點。這種檢測系統(tǒng)可以應(yīng)用在多種場合，例如冶金、石油、煤炭等易燃易爆的場合，應(yīng)用范圍廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李念.高壓開關(guān)柜的在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[J].河南電力技術(shù),2012,(6).

[2] 許鴻.高壓開關(guān)柜觸頭溫度在線檢測儀[J].高壓電器,2012,(4).

[3] 劉凡.一種用于變電站高壓觸點溫度在線監(jiān)測的新方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,(4).

[4] 匡斌.分布式光纖溫度傳感器原理及其在變電站溫度監(jiān)測中的應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備,2012,(9).

endprint