基于閾值預警功能的高壓開關柜光纖測溫系統設計與測試

劉勇求，王文斌

(1.廣東科技學院 機電工程系，廣東 東莞 523083;2.雅礱江流域水電開發有限公司，成都 610051)

基于閾值預警功能的高壓開關柜光纖測溫系統設計與測試

劉勇求1，王文斌2

(1.廣東科技學院 機電工程系，廣東 東莞 523083;2.雅礱江流域水電開發有限公司，成都 610051)

針對開關柜觸點發熱嚴重及溫度難以精確檢測的問題，對目前常用的測溫技術進行分析對比，開發了基于閾值預警功能的高壓開關柜光纖測溫與預警系統。該系統以智能診斷與預警模塊為核心，在實時檢測被測點溫度的同時，將檢測結果與歷史數據進行分析對比，當觸點溫度及其變化趨勢接近或超過預警閾值時，系統自動發出警示。測試結果表明：該系統測溫精度高，能有效用于開關柜內部溫度的在線監測和預警，對工作人員實時掌握開關柜的運行狀態，及時發現并處理故障隱患，保證開關柜安全運行提供依據。

開關柜； 預警； 光纖光柵； 在線測溫

0 引 言

隨著電力工業的發展，高壓開關柜已成為變電站重要的電力設備，擔負著開斷電流、分配電能的作用。由于開關柜內部空間狹小且封閉，隨著用電負荷的不斷加大，開關柜各接頭、觸點等部位的發熱問題日趨嚴重。據統計，變電站設備運行中發現的缺陷，與溫度有關的占了80%以上，直接影響了變電站的正常運行和用戶的可靠供電，這就需要對開關柜內部溫度進行實時監測，實現提前預警[1-2]。傳統測溫方法是采用人工現場檢測，作業難度大，工作效率低，已不適用于工程實際要求，因此設計一種有效的在線自動測溫與預警系統是研究人員關注的重點。

目前應用于開關柜的測溫技術主要包括紅外測溫、無線測溫以及光纖測溫技術等。紅外測溫是利用不同溫度產生不同紅外輻射的原理，通過紅外熱像儀采集測點的熱紅外輻射，通過其內部光電轉換系統換算得到被測目標的溫度值[3]。無線測溫技術是將無線溫度傳感模塊直接安裝在需要測溫的部位，數據接收器放置在距離開關柜體一定距離的地方，兩者通過無線通信的方式進行數據的采集與傳輸[4-5]。光纖測溫技術是將光源發出的光經調制后，通過光纖到達傳感器，對光信號進行濾波采樣和分析，通過光學特性的變化，測出每一個傳感器的溫度[6-7]。

各測溫技術都具有各自的優勢和不足，鑒于本研究重點要實現開關柜內部溫度的在線監控，并希望得到比較精確的實驗數據，而光纖光柵傳感器具有測量精度高、抗電磁干擾能力強、可靠性好，布設方便等優點，因此采用光纖光柵傳感器進行測溫，設計基于閾值預警功能的高壓開關柜光纖測溫與預警系統。同時，為檢驗光纖光柵測溫技術的有效性，根據某變電站的實際需求情況，對所設計的系統進行了實際測試。

1 光纖傳感測溫技術分析

1.1強度調制型傳感器測溫原理

強度調制型傳感器是一種利用測點溫度的變化使光波的折射率等參數發生改變，引起光強度變化來實現溫度測量的傳感器。圖1中，當開關柜測點溫度發生變化時，雙金屬片產生彎曲變形，帶動遮光片在垂直方向上運動，使光纖中光通量改變，達到調制光強度的目的[8-9]。

圖1 強度調制型傳感器測溫原理

根據檢測得到的不同電流值，可推導出光通量的大小及遮光片的位移，最后轉換成被測物體的實時溫度。光纖中光通量密度可表示為：

(1)

式中：I0為光纖中的光強度；β為光纖折射率分布系數；r為光纖纖芯半徑；μ為光強調制參數；α為光纖的最大出射角。

1.2波長調制測溫原理

利用濾波等技術使光的波長發生變化，并通過波長與溫度的關系推導出實際溫度值，這類調制方式稱為光波長調制。把周期小于1 μm的周期光纖光柵稱為布拉格光柵(FBG)，光波進入布拉格光柵后，滿足FBG條件的光波產生反射，入射光被分成兩部分，從而實現按波長大小對光進行調制，如圖2所示[10-11]。溫度的變化使光纖的有效折射率及調制周期發生變化，引起光柵波長的漂移，根據漂移的大小就可以推導出被測點的溫度。

圖2 光纖光柵測溫原理

光纖光柵中心波長，

λB=2neΛ

(2)

式中：ne為光柵的有效折射率；Λ為光柵周期。

波長與溫度變化的關系為：

ΔλB=λB(α+β)ΔT

(3)

式中：ΔT為溫度的變化量；α為光纖的熱膨脹系數；β為光纖的熱光系數；ΔλB為波長的變化量。

根據式(3)可以得到被測點溫度的變化與光纖中心波長之間的關系，如圖3所示。

圖3 溫度變化與光柵中心波長的關系曲線

2 高壓開關柜在線測溫與預警系統設計

2.1總體方案設計

結合需求分析和實際應用情況，對系統的總體結構框架進行設計[12]，主要包括數據采集層、站內監測層以及應用管理層，如圖4所示。其中：① 數據采集層主要完成對測點溫度的采集和傳遞，包括光纖傳感器和光分路盒。② 站內監測層主要完成數據分析、數據顯示、診斷預警等，滿足工作人員對開關柜測點溫度的實時在線查看，由上位機組成。③ 應用管理層主要面向遠程管理人員，使其能查看監測計算機中監測的溫度數據。

圖4 系統總體框架結構

2.2功能模塊

終端軟件是人機交互的平臺，是用戶訪問管理數據庫的窗口，在整個系統中起著非常重要的作用，主要負責系統配置錄入和系統數據顯示。本系統采用Windows作為操作平臺，后臺使用SQL數據庫語言，具體可分為以下幾個功能模塊：用戶管理、實時溫度顯示、智能診斷與預警、歷史數據查詢、電子地圖等。

主要模塊的功能：① 溫度實時顯示。通過光纖傳感器對各測點的溫度進行實時顯示，實現開關柜溫度的在線檢測。② 智能診斷與預警。當測點的溫度或溫度變化率超過規定值時，發出警告信號。③ 歷史數據查詢。以圖表或曲線的形式向用戶提供歷史信息。④ 電子地圖。用電子地圖的形式顯示各測點位置，便于更加直觀地查找故障點。

2.3溫升預測

本系統可以智能診斷，根據開關柜的實時檢測結果為用戶提供預警功能，是在線測溫系統的核心模塊。其原理是將檢測到的溫度與預設的預警值實時對比，并和數據庫中的歷史數據進行對比分析，根據當前溫度和溫度變化趨勢分析未來溫度走勢。當分析結果接近或超過預警值時，系統自動發出警示信息，以便工作人員及時發現該設備存在的安全隱患。

引入溫度預警閾值H，以此代表測溫點的溫升程度，反映該點工作是否正常，利用最小二乘法建立溫升預警模型，其表達式為[13-15]：

H=μ(ΔT′-ΔT)+e(T0-Tm)

(4)

式中：μ為溫度安全系數；T0為觸點實時溫度；Tm為溫度設定值；ΔT為溫度變化率預測值； ΔT′為溫度變化率實測值。

規定預警模型滿足如下規則：利用預警模型將測點實時溫度進行變換，得到各時刻的預警閾值H，當H<1時，代表觸點溫度正常，工作狀態良好；H趨近或大于1時，代表觸點溫度過高，或有溫度超標趨勢，這樣就可根據H大小預測開關柜的工作狀態。

溫度變化趨勢預測預警功能的實現流程如圖5所示。

圖5 溫升閾值預警實現流程

3 實驗測試

以某變電站為測試對象，根據開關柜實際配置情況，取4臺開關柜進行實際測試，每個開關柜設3個光纖傳感器，傳感器柵區長度10 mm，反射率>90%，傳感器安裝方式如圖6所示。

為了驗證光纖傳感器測溫結果的準確性以及系統的實用性，采用人工使用紅外測溫儀測量觸點的溫度，并與光纖傳感器測量的溫度值進行對比，測量結果如圖7、8所示。

圖6 光纖傳感器安裝

圖7 溫度對比結果

圖8 溫差曲線

結果顯示：光纖光柵測溫值與人工紅外測溫值非常接近，最大誤差的絕對值僅為0.5 ℃左右?？梢?，采用光纖光柵傳感器的測溫系統能很好地反映開關柜各觸點的實際溫度，滿足設計需求。

根據測量結果，發現10號光纖傳感器采集到的溫度較高，為驗證預警模型的準確性以及智能診斷的有效性，設定預警溫度為40 ℃，并對該點溫度進行一段時間的跟蹤采集，得到溫升預警曲線，結果如圖9所示。

圖9 溫升預警測試曲線

在采集過程中，發現10號光纖傳感器在某時刻的預警閾值H接近并超過1，代表此過程中測點的溫度接近并超過了40 ℃，即該點的實時溫度超過了安全范圍，和測試結果一致。此時系統將發出告警提示，提醒工作人員出現了不安全狀況。測試結果表明，所建立的預警機制合理，模型正確，可實現開關柜觸點溫度異常升高的提前預警。

4 結 語

隨著用電負荷的不斷增加，高壓開關柜觸點溫度過熱問題日趨嚴重，實現其溫度的在線檢測和故障預警是開關柜應用和發展的趨勢。本研究綜合分析了目前各類測溫技術的特點，并根據實際需要，設計了基于閾值預警功能的高壓開關柜光纖測溫與預警系統。該系統不僅可實現開關柜內部溫度的實時監測，還能為用戶提供溫度走勢分析，實現故障預警功能。實際測試結果顯示，該系統測溫精度高，能有效用于開關柜內部溫度的在線監測和預警，滿足設計需求，對工作人員實時掌握開關柜的運行狀態，及時發現并處理故障隱患，減少事故的發生，保證高壓開關柜及整個電力系統的安全運行具有重要的意義。

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Design and Test of High Voltage Switch Cabinet Optical Fiber Temperature Measurement System Based on Threshold Warning Function

LIUYongqiu1，WANGWenbin2

(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering， Guangdong University of Science & Technology， Dongguan 523083，Guangdong,China； 2.Yalong River Hydropower Development Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China)

The switchgear is important for power equipment in substation,switch cabinet contact and serious heating temperature are difficult to be accurately detected.After comparison and analysis of the current commonly used temperature measurement technology,the paper designs a high voltage switch cabinet and warning system with threshold warning function based on optical fiber temperature measurement.In the system,intelligent diagnosis and early warning module is the core,the measured point temperature is detected,at the same time,the detection results are compared with historical data.When the contact temperature and its variation are close to or exceed the warning thresholds,the system will automatically alarm.The test results show that the system has high temperature measurement accuracy,can be used for on-line monitoring and early warning switch cabinet temperature.It is helpful for staff to control the real-time operating state of the switch cabinet,timely detect and treat hidden fault,hence it provides a basis for the safe operation of switchgear.

switch cabinet; early warning; fiber grating; on-line temperature measurement

2016-10-08

廣東高校省級重點平臺和重大科研項目(2015KQNCX191)；廣東省高等職業技術教育研究會2016年立項課題(GDGZ16Y142)

劉勇求(1980-)，女，湖南湘潭人，講師，現主要從事智能控制研究。Tel.:13580784886；E-mail:2694229829@qq.com

TM 591

：A

1006-7167(2017)07-0068-04