光纖光柵測溫技術在10 kV開關柜內部溫度在線監測中的應用研究

李曉江，任章鰲

(1.國網湖北省電力公司荊門供電公司，湖北荊門448000；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

電力系統一、二次設備在運行過程中，可能會出現設計、選型、施工、防腐、檢修、操作不當等原因導致的局部溫度異常，這些溫度異常部位不管是電壓型、電流型還是電磁型致熱，絕對多數都可以通過紅外成像檢測發現，但全封閉式開關柜除外。

《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》重點強調:加強開展開關柜內部溫度測量，對溫度異常的開關柜強化測量、分析、診斷和檢修，防止導電回路出現過熱點引發的柜內設備損壞或短路故障。2015年國家電網公司運檢技術 (2015)53號文件 《關于國網運檢部開展消弧線圈和開關柜設備專項治理工作的通知》要求，各供電公司組織排查10 kV、35 kV消弧線圈和開關柜缺陷，并落實專項消缺工作。

為滿足防爆、防人身傷害要求，目前國內供電系統通常采取全封閉式開關柜。此類裝置把一、二次設備封閉在開關柜內，當設備出現溫度異常時，其紅外輻射量傳導到柜外已經相當微弱，紅外成像檢測很難發現異常，且無法準確定位。筆者通過大量的實際調研，提出了利用光纖光柵測溫技術來解決開關柜內動靜觸頭溫度實時在線監控的新思路，并在某變電站進行了試點建設工作，填補了以往全封閉式開關柜帶電溫度檢測的技術空白，取得了較好的社會和經濟效益。

1 光纖光柵測溫技術

采用傳統的紅外測溫儀，無法測到開關柜內刀閘或接線排溫度；同時，開關柜工作時帶有高電壓，必須閉鎖柜門，禁止打開進行測溫。光纖光柵首先具有感溫特性，對溫度變化靈敏高、感溫范圍大；其次具有絕緣特性，幾乎不導電，不吸附水分；再者其信號傳輸性能優良，抗大磁場輻射，傳輸損耗低；最后其還可以實現多種方式的信號傳輸，信道冗余度相對開關柜測溫點較大，不會出現信號堵塞情況。這樣通過光纖光柵不僅可以實現定點準確測溫，還可以完成大范圍分布式測溫。從而實現電力高壓封閉式設備的即時溫度測量，并分析測量數據，及時進行狀態預警，為狀態檢修工作提供依據。

將光纖光柵感溫傳感器植入10 kV開關柜內，實現了柜內主要設備的溫度測量，此測量系統集成了三方面的技術:

1)絕緣子隔離。三相傳感器之間增加絕緣子，加大爬電距離，防止極端情況下 (如凝露)產生爬電，提高可靠性。

2)應用高靈敏度、高精度、大量程的光纖光柵感溫傳感器，并與10 kV開關柜內動靜觸頭導電排直接接觸，可隨時得到接觸點的溫度及其變化趨勢。

3)采集原件屬于無源裝置，無需另外供電。

光纖光柵受熱會發生兩方面的變化:一是對光線的折射率會發生變化；二是柵格周期會發生變化。感溫特性可將外界環境溫度變化的信息轉化為波長的變化，通過測量光纖中光波的波長變化，就能反應出被測設備的溫度變化。光纖光柵感溫效應與布拉格波長變化的相互關系:

式中 λB為布拉格波長；ξ為光纖光柵的熱光相關系數；α為光纖光柵的熱膨脹系數。

光纖光柵感溫傳感器具有應變特性主要是由彈光效應和彈性效應共同作用的結果，相互關系為:

式中 Pe為光纖的有效彈性系數。

光纖傳感分析儀的工作機理是:分析儀定時向光纖光柵感溫傳感器發出一束不間斷的寬帶光波，此寬帶光波在傳感器內部會被反射回某一中心波長的窄帶光波，其波長與傳感器所測量處的溫度成線性相關，這樣通過確定窄帶反射光波的中心波長就可以間接得出測量處溫度，如圖1所示。

圖1 光纖光柵感溫特性

光纖光柵感溫傳感器可多組串、并聯布置，每只傳感器對應不同的波長編碼，光纖傳感分析儀解析對應編碼的反射波，即可得到特定傳感器的測溫數據，從而實現多個測溫點同時測量，如圖2所示。

圖2 光纖編碼實現多點測量

2 光纖光柵測溫系統

2.1 系統構成

整套測溫系統由4個部分構成:前端光柵感溫傳感器、中間光纖傳感數據分析儀、尾端監控告警平臺以及連接它們的光纖光纜。

前端光柵感溫傳感器與10 kV開關柜內設備直接接觸，連續測量設備節點溫度；然后通過光纖把測量光波反饋給光纖傳感分析儀，經過相關運算與分析得出各節點溫度，隨即發送到尾端監控告警平臺；監控告警平臺保持、分析數據，滿足大存儲空間的要求，并對節點測量數據進行實時分析，判斷節點溫度及其變化趨勢是否合乎規定，做出正常或告警提示，以圖形化界面友好顯示。系統結構如圖3所示。

圖3 溫度監控告警系統架構

2.2 系統主要功能

1)在線自動檢測:自動測溫，并即時發送測溫數據到監控告警平臺，平臺自動分析、判斷并做出正?；蚋婢崾?。

2)光纖數據傳輸:光纖光柵感溫傳感器與光纖傳感分析儀之間應用全光纖相連，避免了強電磁場的干擾，提高此測溫系統的抗干擾能力。

3)無需電池供電:光纖光柵感溫傳感器不需要供電就可以工作，為無源裝置，不需要相關維護。

4)高性能溫度傳感器:應用高精度、高可靠性、大量程的光纖光柵感溫傳感器來測溫，能即時、精確地得出測量點溫度。

5)遠程監測:數據傳送至監控告警平臺主機，運檢人員可以隨時登錄系統進行遠程監控。

6)超溫報警:可依據相關規程或實際狀況來設定預警值，當所測數據大于此值時，系統會做出告警。

7)設備趨勢分析:終端計算機對所測開關柜內主要設備的溫度數據長期記錄，并實時進行分析，形成任意時間段內的溫度曲線可供運檢人員直觀分析設備運行狀態，為下一步采取相應的檢修策略提供依據。

3 溫度監控告警系統的實現及評估

目前，全封閉式開關柜的帶電檢測手段有:暫態地電波、超聲波和超高頻測量，但這3種方法都很難發現柜內重要設備的發熱異常。研制的溫度監控告警系統采取光纖光柵測溫技術作為10 kV開關柜內主要設備的溫度監控手段，運用可靠的光纖通信、數字化溫度測量、微型電子和感應技術，測量檢測點的溫度，并分析、判斷溫度是否異常，有效解決了難以帶電巡查開關柜內部設備狀態的難題，提高了電網運行可靠性。

3.1 系統應用概況

光纖光柵測溫監控告警成套系統經過充分的方案論證，詳細的布局設計，選取某220 kV變電站負荷較大的7面開關柜，按照每面柜上下三相6個監測點進行傳感器安裝，另外在6號柜體內加入了一個環境溫度測量點。變電站10 kV室內情況如圖4所示。

圖4 光纖光柵測溫監控告警系統安裝地點

3.2 系統安裝概況

系統現場應用前，完成了光纖光柵感溫傳感器選型和耐壓試驗、光電測量、波長與溫度轉換計算、信號傳輸方式和接口的選擇、光纖光柵凝露試驗等?，F場安裝分為4個階段:①波浪型布置光纖光柵感溫傳感器，并適當加入絕緣子串，提高光纖連接的可靠性和防凝露特性；②在電纜夾層內安裝光纖光纜，用于感溫傳感器與光纖傳感分析儀之間通信；③利用主控室屏柜或柜體內閑置單元，布置光纖傳感分析儀；④在監控告警平臺主機上安裝監控告警軟件。

502膠水由有機高分子組成，絕緣性能優良，膠粘能力突出，使用它來固定連接傳感器與被測溫部件；708膠是密封膠，使用它封閉傳感器四周，并用金屬扎帶將傳感器扎緊確保安裝牢固，最后用線卡將光纖輕輕掛起固定，如圖5所示。將開關柜內連接傳感器的光纖都歸集到一處，利于安裝和保護，最后用光纜連接到光纖傳感分析儀，如圖6所示。

圖5 光纖光柵感溫傳感器布局

圖6 傳感器分析儀安裝

安裝完成后，進行設備聯調和驗證，確保感溫傳感器可靠連接、系統通信正?？煽?、監控告警平臺運行正常、現場溫度和測量數據間誤差0.5℃以內、耐壓試驗前后系統測量無偏差，聯調和驗證完成后整套測溫系統投入試運行。

3.3 系統性能及效益評估

此光纖光柵測溫系統已在該220 kV變電站運行1年半，目前運行狀況良好，顯著提高了運檢人員發現設備缺陷的能力。特別是迎峰度夏、迎峰度冬和重大保電任務期間能夠提前發現設備隱患并處理，大幅避免了由于開關柜內部故障引起的停電。

此光纖測溫系統實現了可靠的柜內溫度測量，完全克服了之前無法測量柜內設備溫度，無法預判設備狀態的局面。通過此系統的應用，可以實時查看現場設備的溫度和變化趨勢，可有效減少巡視周期，降低運維人力成本。

該220 kV變電站為該市500 kV電源點和220 kV電網間聯絡變電站，也是市郊兩集鎮、重要化工、水泥企業的電源點，多條10 kV線路經常重載，開關柜內部設備損壞時有發生。2012年至2015年間，該站10 kV開關柜每年因設備過熱損壞停電達3次左右，搶修費用約22萬元；每年因停電造成設備陪檢、多檢情況也經常發生，浪費大量人力、物力。光纖測溫系統在該站投入使用后，及時發現2起柜內設備發熱異常，為處理設備缺陷和降低客戶損失提供了充足反應時間。

4 結論

光纖光柵測溫系統，成功地將光纖光柵感溫特性應用到全封閉、高磁場空間的測溫工作中，經過1年多的試運行，運檢人員的工作效率得以大幅提高，達到預期效果。此系統不僅可以及時發現設備發熱異常，為檢修工作定點定位；也可以繪制設備溫度變化趨勢圖，實現負荷預測、狀態評價；還可以有效避免單臺開關柜拒動引發相應10 kV母線失壓事故；當然也可以降低設備檢修次數，減少停電時間，讓優質供電服務的承諾得以實現。

〔1〕鄔鋼，李進.光纖在開關柜觸頭溫度監測中的應用 〔J〕.高電壓技術，2006，32(2):122.

〔2〕孟慶民.高壓開關設備的溫度在線監測研究 〔J〕.高壓電器，2006，42(5):352-354.

〔3〕王耀才，朱建銘，徐釗，等.關于光纖溫度傳感器的研究〔J〕.中國礦業大學學報.1990，19(2):50-55.

〔4〕王新彤.基于光纖光柵的開關柜溫度在線監測系統的開發及應用 〔D〕.保定:華北電力大學，2010.