變電站運行設備測溫技術綜述及分析

摘 要：近幾年來，電力作為國民經濟的大動脈，供電系統的可靠運行成為了電力設備運維部門的首要任務，而發熱故障一直是設備運行管理過程中的重點和難點，因此變電站運行設備溫度的實時測量是長期未解決的難題。從變電站運行維護的工作實際出發，論述了國內電力系統高壓帶電設備溫度測量的現狀和存在的問題，綜述了國內當前主要采用的運行設備的溫度測量方法，分析了各自存在的優缺點，結合現場實際進行了初步的探討，并對變電站運行設備測溫技術進行了展望。

關鍵詞：運行設備 紅外輻射測溫 分布式光纖測溫 無線測溫系統

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0021-02

近幾年來，我國經濟發展迅猛，電力作為國民經濟的大動脈，電網建設已經成為我國現代化建設重要的組成部分。電能的優勢在于它的來源廣泛、清潔高效、使用方便、便于傳輸，它已經成為現代化社會重要的能源，在社會生產和人民生活中起著非常重要的作用，而且社會對電能的需求和依賴與日俱增，因此，電力設備運維部門首先要保證電力系統的安全穩定可靠運行。

目前，我國的電力系統的格局是高電壓輸電和大電網互聯，變電站作為電力系統中的重要組成部分，起著承上啟下的重要作用。為了實現電能的遠距離輸送和將電能分配到用戶需將發電機電壓進行多次電壓變換，這個任務由變電站完成[1]。

由于發熱故障一直是設備運行管理過程中的重點和難點，據國家電力安全生產監督部門的統計，全國每年發生的多起電力事故多是由熱故障引起的[2]。這是因為制造工藝不良、安裝工藝不規范和長期運行于惡劣環境下等原因造成設備連接點接觸不良，使其接觸電阻增大，而且在設備運行時又會出現表面氧化、螺栓松動、絕緣老化等現象致使接觸電阻進一步增大，在長時間運行情況下有可能導致火災或嚴重的人身、設備事故，造成重大的經濟損失及嚴重的社會影響，因此對變電站運行設備進行溫度實時監測是十分必要的。

1 關鍵技術

目前，對變電站運行設備測溫方法有三種：非接觸式紅外輻射測溫技術、光纖測溫技術和無線測溫技術。在我國，多數變電站都是依靠運行人員用紅外測溫儀對運行設備易發熱部位進行測溫，而分布式光纖測溫技術和無線測溫技術在變電站中應用不廣泛。

1.1 非接觸式紅外輻射測溫技術

任何溫度在絕對零度以上的物體都會因自身的原子運動而輻射出紅外能量，而物體的表面溫度與它所輻射出的能量有著直接的關系。被測物體發出的紅外輻射信號通過紅外探測器轉換成電信號后，經信號處理系統進行處理，傳至顯示器上，從而得物體表面熱分布圖，因此，紅外測溫儀接收物體發出的紅外能量從而測量出物體的表面溫度。上述方法能實現對被測物體進行遠距離測溫和熱成像，因此，紅外測溫技術開始成為測溫領域的主流。紅外測溫儀的原理圖如圖1所示。

但是，紅外測溫的準確度和可靠性受鏡頭光學變形、拍攝角度、拍攝距離、被測表面形狀和環境溫度、濕度、氣壓等因素影響測量溫度不準。這種非接觸式紅外測溫技術基本能夠滿足電氣設備在高電壓大電流等運行狀態下對溫度監測的要求[3]。運行設備發熱是溫度不斷變化的過程，而且也與所在環境有很大的關系，當運行人員運用紅外測溫儀對電氣設備接線板、動靜觸頭、線夾等易發熱部位進行逐點測溫時，不能及時發現熱故障點，特別容易誤測、漏測；此外，處于障礙物下和密封狀態的設備以及設備內部，都不能采用紅外測溫儀進行準確測量，同時運行人員長期處在高磁場、高輻射環境下，對身體健康影響很大。

1.2 光纖測溫技術

1.2.1 分布式光纖測溫技術

在光脈沖向前的傳播過程中，由于光纖的密度、應力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發生散射現象，有一部分的散射光會按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。其中拉曼散射會產生兩個不同頻率的信號：斯托克斯光和反斯托克斯光，外部溫度的變化使光纖中的反斯托克斯光強發生變化，利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量。溫度計算公式如下：

（1）

式中，、分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光光強，、分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光頻率，為拉曼散射頻移波數，僅與光纖材料有關，為普朗克常量，為玻爾茲曼常量，為光速，為絕對溫度。

探頭和通信信道都采用光纖，拉曼散射的溫度效應用于測定溫度，光纖的光時域反射技術用于對測量點的定位，而且光纖的絕緣性能好，能夠在高磁場、高電壓條件下工作。這種分布式光纖測溫系統由測溫光纖、測溫主機、工作站及后臺組成，如圖2所示。

光纖測溫技術是一種實時在線測量溫度的技術，特別適合應用于高電壓強電磁干擾環境下的變電所、高壓線路等，還可以用于變電站其它電信號和非電信號的采集和測量，是目前電力系統通信中正在逐步廣泛應用的通信方式[4]。

采用分布式光纖測溫系統有很多優勢，但是在實際應用中成本高，布線復雜，且當線路老化時拆換困難，因此未能廣泛應用。

1.2.2 光纖光柵測溫技術

光纖光柵是一種反射式光纖濾波器件，通常采用紫外線干涉條紋照射一段10 mm長的裸光纖，纖芯吸收紫外線發熱產生永久型折射率周期變化。當光束被傳播到光纖光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，如公式（2）所示。

（2）

式中，為光柵的布拉格波長，為光柵的有效折射率，為光柵的條紋周期。溫度變化時，光柵材料的熱脹冷縮，光柵條紋周期也會跟隨溫度變化，從而導致布拉格波長跟著變化。這樣通過檢測光柵反射光的波長變化，就可以知道光柵處的溫度變化。

光纖光柵測溫技術與分布式光纖測溫不同的是，它只測沿線若干點的溫度而不是測全線的溫度。光纖光柵測溫系統的工作方式，除以點式測溫代替分布式光纖的線式測溫外，其他基本相同[5]。

1.3 無線測溫技術

隨著微電子技術和無線通信技術不斷進步，無線測溫技術才逐步發展起來。人們對無線資源的重視不斷推動著低功耗傳感器的快速向前發展。溫度傳感器的體積微小，但卻集信息采集、處理和無線通信等功能于一體，大規模的生產制造更是使得微型節點成本便宜、價格低廉[6]。

1.3.1 無線測溫技術組成

無線測溫技術的核心設備主要由無線溫度傳感器（如圖3所示）和數據處理單元兩部分組成，前者是利用電磁波傳遞溫度信息，將傳感器直接安裝在高壓設備容易發熱的部位（如圖4所示），因此溫度測量準確，不僅解決了電氣絕緣問題，而且受氣候環境的影響較小；后者則將收到的溫度數據進行處理和存儲，不但可以顯示實時溫度，便于運行人員監測，而且可以存儲數據，與歷史數據進行對比，了解溫度變化趨勢，還可以設定高溫報警閥值，發現溫度突然升高馬上報警，從而提高了設備運行的可靠性。無線測溫系統框圖如圖5所示。

1.3.2 無線測溫技術特點

（1）對于光纖測溫技術來說，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，將導致光纖表面放電。這使得用于室外開關設備的測溫應用受到限制；而無線測溫技術最大的優點在于實現了高壓隔離，且無需重新布線，這樣不僅可以節省投入成本，還大大減少運維成本。

（2）在高電壓、大電流的運行環境中，電磁干擾無法避免，為減少這些干擾對無線溫度傳感器的影響，其硬件設計上采用金屬屏蔽和濾波電路技術，另外為了消除隨機干擾，利用被測設備溫度變化較為緩慢的特點，適當設定溫度測量周期、數據傳送密度，從而排除異常數據，保障溫度監測的高效性和可靠性。

（3）無線測溫系統采用無線組網方式，多個無線溫度傳感器分布在無線信號接收裝置的周圍，在有效的通訊范圍內可以隨意增減甚至移動傳感器位置。將后臺終端安裝于主控室，實時監測各個測溫點溫度的變化情況，實現足不出戶掌握設備的發熱狀況，進而做出正確的判斷。

2 結語

傳統的人工檢測和有線監測方式都或多或少在這方面或那方面存在缺陷。當然，變電站設備無線監測技術也面臨著它自身的困難和問題：電源管理和抗干擾能力。隨著微電子低功耗技術和抗干擾技術的進一步發展，無線測溫技術相對于傳統的變電站測溫技術的各種優勢將更加凸顯，無線測溫技術在各個方面的應用會不斷得到普及，并有著廣闊的發展空間。

參考文獻

[1]葉福軍.電力變電站溫度智能監測網絡研究與實現[J].計算機測量與控制，2009，17（1）：111-113.

[2]薛鵬.電力系統熱故障無線監測技術的應用[J].中國設備工程，2009（11）：20-21.

[3]張漢軍.電力設備紅外遠程監控系統研究：[D].北京：華北電力大學，2008.

[4]王立，李華春，薛強，等.220kV電纜分布式光纖測溫系統運行情況分析[J].電力設備，2007，8（6）：36-41.

[5]金振東，許箴，金峰，等.國內高壓帶電設備測溫方式綜述及分析[J].電力設備，2007，8（12）：59.

[6]高慶敏，和歡，石瑞杰.基于ZigBee無線傳感網絡在變電站監測系統中的應用[J].華北水利水電學院學報，2010，31（1）：53-54.