高壓開關柜內接頭溫度在線監測系統的設計

奧海蓮

摘要：文章根據當前比較常用的光纖光柵結構的溫度傳感器，設計了能夠測量高壓開關柜內部的接頭溫度的實時監控系統。這套實時監控系統由寬帶結構光源、光纖光柵式的溫度傳感器以及可調濾波器以及電光轉換線路、傳輸裝置和系統內部軟件構成。該實時監控系統主要根據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的屬性，從而達到測量不同溫度下的光柵反射波長變化的目的。該實時監控系統在通過數據處理后，可以實時精確地顯示溫度變化。該系統還可以對多個開關柜接點的溫度進行精測測量，同時還具有溫度報警功能，一旦溫度超過預設值，即可實施報警。文章對系統進行了多項測試，對開關柜的接頭溫度進行了反復測試，測試誤差均保持在0.2 ℃以內，穩定性和精度都達到了設計要求。本系統利用通信接口技術，與電力控制中心連接，從而可以實現對高壓開關柜內接頭溫度的遠程實時在線監控。

關鍵詞：高壓開關柜；溫度；實時監測；光纖光柵溫度傳感器

中圖分類號：TM247 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）20-0005-02

在目前的電力系統中，高壓開關柜發揮著相當重要的作用，它對電力線路以及系統安全起著開合和斷開的作用，是控制整個電力系統的電力基本保障。隨著我國在最近十年電力系統正朝著大機組、高容量、高電壓的方向發展，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柜的穩定、安全運行提出了更為嚴格的要求。眾所周知，一旦開關柜內部的閘刀的接頭或者電纜的進出線的接頭出現接觸不良的現象，那么接觸電阻就會急劇增大，直接導致負載電流在經過時出現過熱現象，這將直接導致開關柜內金屬材料的機械強度大幅降低，甚至因為開關柜內的絕緣材料快速老化而發生電流擊穿的事故。針對上述現象，就需要有針對性的改進方案，在線能夠檢測開關柜的接頭溫度就是預防出現不必要事故的解決方案。這套監控系統對于提高高壓開關柜的安全性和穩定性、保證電力系統正常運行都有著重要的作用。

因為傳統的高壓開關接頭設計是在高電壓、大電流、強磁場的工作環境下工作的，因此，普通的測量方法并不能很好的對開關接頭的溫度進行測量。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色片表面的色澤隨著溫度的變化而發生改變進行測量。但是這種測量方法的缺點是準確性相對較差，并且穩定性也有一定局限。更為重要的是，貼色片測量法無法對封閉的開關柜接點進行測量。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弱來測量溫度。這種測量法也有很大的局限，對于光源發射端和接收端的技術和穩定性要求都很嚴格，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，是利用半導體溫度傳感器當作測試探頭，而光纖只作為傳光的介質，這種測量方式將測溫點和光調制器設計成一體化結構，這樣的好處是減少了開關柜的空間，但是這也給開關柜帶來了一定的安全隱患，同時需要外加工作電源，一旦進行電源更換，就必須停電，這樣就會影響系統的正常運行。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的溫度變化對應紅外輻射變化，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柜的外殼進行溫度測試，不過這種測量結果受環境影響較大，同時準確率不高，而且也不能檢測開關柜內部的接點溫度，也不能進行實時的在線測試。

本文的監測系統利用當前比較流行的光纖光柵傳感器技術，配合網絡通訊技術和計算機技術，設計成高壓開關柜內的接頭溫度實時在線監測系統。優點是能夠對多個開關柜進行在線實時監測，并且體積小，測量精度非常高，符合電氣要求的安全防爆、抗強電磁的特征。

1監測系統的構成和工作原理

高壓開關柜接頭溫度在線監測系統由光纖光柵傳感系統、光纖光柵調試系統和光信號傳輸三部分組成。該系統使用光纖進行信號的輸送，使用光纖光柵作為溫度傳感探頭，而系統的信息采集和處理主要由高速、多路的光電處理主機完成，而系統的控制中心主要使用工程控制機。而系統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，而在芯內發生了折射率變化，從而就形成了空間的相位光柵，它的作用相當于窄帶的反射濾波器。而寬帶光源發射的光通過光纖輸送到光纖光柵，而光柵就反射成窄帶光。

該系統設計中光纖光柵的溫度檢測系統中，調試系統是本系統的核心，主要由F-P控制器組成的可調諧濾波器以及信號處理控制模塊和電光探測器構成。然后利用耦合器的引導光纖光柵發射光將信號引導進入光纖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，并且產生的相干極大。而通過掃描電壓的作用力使得電陶瓷PZT發生了物理伸縮運動，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。而在調諧控制電壓的作用力下，導通頻帶可以掃描整個光柵反射光譜，當導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。而光進入電光探測器后就轉成電信號，這時的電信號相當于光纖光柵發射光的中心波長，此時也正對應待測的溫度。最后數據處理將溫度傳輸到工程監控機的顯示屏。

2系統中的關鍵問題

2.1光纖光柵溫度傳感器設計

高壓開關柜的結構大多是封閉式的，這種工作環境的空間小、電壓高、電流大，并且具有強磁干擾，而溫度變化范圍相當大，在-40 ℃~140 ℃之間，溫度差達到了180 ℃。

要達到檢測多點溫度的要求，光纖光柵溫度傳感器的設計主要要求是：

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

②溫度范圍。設計的溫度上限定值在90 ℃以內，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 ℃，但頻繁發生異常，也會報警。

③連接。為了便于安裝和維護，設計中的每個光柵和傳輸光纖的連接主要由法蘭盤進行連接。

2.2系統的信號處理和通信功能

信號處理功能主要有電光轉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。系統的接口通訊采用了RS-485標準，將開關柜的溫度信息導入電力控制管理系統后，就可以實施開關柜的遠程溫度在線監控。

2.3系統的主要技術指標

①系統能夠對所有被測點在-40 ℃~140 ℃的溫度值進行實時檢測。

②F-P可調濾波器的掃描頻率為100 Hz，測量點的頻率為0.01 s。

③系統可以實現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，系統可以同時實時檢測多個高壓開關柜。

④系統能夠提供局域網接口，能夠保證集成到其他的控制系統。

3傳感器的安裝和測試

為了便于安裝和維護，傳感器經過數次實驗定于安裝在開關柜的靜觸頭最為科學。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熱介質進行固定。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行連接。根據高壓開關柜的不同情況，每個柜子需要6個監測點。同時，為了能夠避免相間爬電和高壓污閃，需要在每3個開關柜的底部設絕緣盒，這樣的好處是開關柜的傳感器互相獨立，當一處出現故障時不會影響其他開關柜的正常工作，保證了系統的安全性。

為了檢測溫度在線系統的精確性，作者將變壓器的高壓開關的電壓調低，從而產生大電流，這樣高壓開關的溫度急劇增高。這時，系統和熱電偶的溫度計同時放在溫度監測點上，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，設計的溫度檢測系統的反應速度相當迅速，而且溫度定位精確，測量誤差在0.2 ℃以內。

4結語

高壓開關柜內的接頭溫度一旦過高，就會對開關柜內的金屬材料的強度和壽命帶來很大影響，并且加大了出現事故的幾率。而使用光纖光柵作為溫度傳感器，并結合計算機通訊技術設計的實時在線溫度檢測系統，不僅能夠對多個開關柜的觸頭進行溫度檢測，并且還具有測量溫度精確度高、安全可靠、抗強電磁的特點。這種檢測系統可以應用在多種場合，例如冶金、石油、煤炭等易燃易爆的場合，應用范圍廣泛。

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