光纖測溫技術(shù)在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

高晶，劉劍，王鵬，劉漢文，王永兆(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

位于南海文昌海域的B平臺電力供應(yīng)來自距離B平臺40公里的A平臺，A平臺和B平臺之間通過一套直流輸電系統(tǒng)進行電力輸送。A平臺上設(shè)置有直流輸電整流站，B平臺設(shè)置有直流輸電逆變站，整流站和逆變站之間通過±10 kV的海底電纜進行電力傳輸。

位于B平臺的直流輸電逆變站系統(tǒng)有24個可插拔式功率單元，其中正極、負極各一半。系統(tǒng)自投運以來，經(jīng)常出現(xiàn)單元溫度高停機情況。逆變功率單元有溫度保護功能，在散熱器上設(shè)置有兩個串聯(lián)的溫度開關(guān)，只要有一個溫度開關(guān)動作就會觸發(fā)關(guān)停。但是，由于沒有有效的檢測手段，維護人員無法知道溫度開關(guān)動作時散熱片的實際溫度，也就很難進一步分析導(dǎo)致溫度高關(guān)停的原因。為了保障直流輸電的安全連續(xù)運行，決定尋找新的測溫技術(shù)，以實現(xiàn)對功率單元散熱器的實時溫度監(jiān)測。

1 溫度監(jiān)測方法的選擇

直流逆變功率單元后部有電抗器和400 V交流接線母排，前部有高壓直流母排(±10 kV)，這些高壓電導(dǎo)致的強電磁場限制了使用導(dǎo)電電纜方式測溫的使用。最近的幾年，光纖依靠它耐高壓、帶寬資源豐富、抗電磁干擾、損耗低等優(yōu)點，受到電網(wǎng)建設(shè)者和設(shè)計者的廣泛關(guān)注[1]。它本體無導(dǎo)電部分，不會引起附加溫升，不收電磁場的干擾，且具備防污閃、配置靈活、施工便捷、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用方便等特性，所以決定使用光纖測溫器對功率單元進行溫度監(jiān)測。

光纖測溫按原理不同分為三種，分布式光纖測溫、光柵光纖測溫、熒光光纖測溫。

分布式光纖測溫是利用激光在光纖中傳播時的拉曼散射效應(yīng)對一段光纖進行測溫[2]，這種方式優(yōu)點在于，單獨一根光纖即時測溫元件，又是數(shù)據(jù)傳輸載體，可以將一根數(shù)km長的光纖分成數(shù)千個段進行測溫。但是每個溫度點位置不精確，僅能精確到1 m內(nèi)。多用于隧道防火，長距離電纜測溫。由于B平臺直流輸電功率元件要求散熱片精準(zhǔn)位置測溫，所以不適合采用分布式光纖測溫。

光柵光纖測溫原理如下：首先光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光刺，即反射窄帶光刺與光柵結(jié)構(gòu)相關(guān)，但石英光纖格柵會受溫度影響發(fā)生熱脹冷縮，反射光頻率會改變[3]。利用此原理可以精確測量光柵處溫度，同時只要光柵的反射光刺不會重疊，就可以將它們串接到一根光纖上，可以實現(xiàn)一根光纖測多個溫度(最多40個)。而B平臺直流輸電功率元件是抽出單元式，需要在故障或者其它必要的情況下拆卸，如果使用光纖串接，則不方便單元更換，因此直流輸電不適合采用該測溫技術(shù)。

熒光光纖測溫是采用熒光材料受激后熒光壽命與溫度相關(guān)的原理進行測溫[4]，其傳感器體積小，一個光纖一個測量點，方便抽出式的安裝，傳送光纖絕緣，相對其它兩種成本較低，非常適用于電力行業(yè)使用。熒光光纖測溫的特點比較適合直流輸電功率單元的使用。

基于三種光纖測溫原理及使用特點的分析，最終選用熒光光纖測溫系統(tǒng)對B平臺的直流輸電逆變功率模塊進行溫度監(jiān)測。

2 光纖測溫技術(shù)的實施

2.1 溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)的接入位置選擇

光纖測溫系統(tǒng)安裝后的相關(guān)功率單元散熱器的溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)需要接入人機界面實現(xiàn)顯示，信號接入有三個方法選擇。首先，可以增設(shè)專用的電腦，將監(jiān)控數(shù)據(jù)接入專用電腦進行監(jiān)控。但是這種方法需要額外購置電腦，為電腦提供新的位置存放，平臺空間有限，同時出于降本增效的考慮，不考慮這種方法。其次，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以接入直流輸電系統(tǒng)的本體的監(jiān)控系統(tǒng)，但是這個監(jiān)控系統(tǒng)是用VC編寫的，為專用程序，需要直流輸電公司專業(yè)工程師修改調(diào)試程序才能實現(xiàn)。由于廠家工程師人員協(xié)調(diào)較為困難，且人員勞務(wù)費用較高，因此不考慮這種接入方法。最后，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以接入位于B平臺中央控制室(以下簡稱“中控室”)的監(jiān)控觸摸屏，觸摸屏的組態(tài)較為簡單，修改也很方便，只需要在原有系統(tǒng)上進行升級即可。經(jīng)過綜合考慮，最終確定溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)接入位于B平臺中央控制室的監(jiān)控觸摸屏。

2.2 設(shè)備選擇

經(jīng)過篩選，選擇HQ-28熒光光纖測溫模塊和LumaProbe SP熒光光纖溫度傳感探針作為該套光纖測溫技術(shù)的基礎(chǔ)原件。考慮到模塊所需的電源線以及模塊信號傳送至中控系統(tǒng)所需要的通信電纜，該套測溫系統(tǒng)所需要的相關(guān)原件及材料如表1所示。

表1 相關(guān)原件及材料

2.3 系統(tǒng)構(gòu)架

24根光纖將24個功率單元的散熱器溫度傳送至測溫模塊，每個測溫模塊有8個測溫回路，使用其中6個，另外作為備用。測溫模塊將溫度通過485通訊線將溫度信號傳送至位于中控室的觸摸屏。觸摸屏的軟件負責(zé)顯示24個功率單元的實時溫度并進行記錄，同時根據(jù)溫度上漲情況，根據(jù)溫度上漲情況反饋至直流輸電空調(diào)的PLC模塊，實現(xiàn)功率單元箱內(nèi)部的溫度控制反饋。具體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 測溫裝置構(gòu)架圖

2.4 人機界面組態(tài)

中控室觸摸屏的人機界面主要負責(zé)顯示24個功率單元散熱器實時溫度，每個溫度模塊顯示6個功率單元的溫度，如圖2所示。由于系統(tǒng)具備對溫度進行記錄的功能，人機界面還包括歷史溫度查詢頁面，可以隨時查詢存檔的歷史數(shù)值如圖3所示。

圖2 6個功率單元的溫度

圖3 存檔的歷史數(shù)值

2.5 光纖測溫技術(shù)拓展

光線測溫技術(shù)在直流輸電系統(tǒng)中現(xiàn)溫度實時顯示監(jiān)控的功能之外，還以進一步發(fā)掘光纖溫度監(jiān)測所記錄的數(shù)據(jù)價值。通過這些數(shù)據(jù)的分析，可以總結(jié)溫度與負荷的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)預(yù)知維修，提前預(yù)警，防患未然，避免潛在安全隱患和事故的作用。通過所有功率單元之間溫度的比對，可以進一步分析找到通風(fēng)不良的部位，再通過通風(fēng)風(fēng)道的改善，改善系統(tǒng)散熱能力，徹底解決溫度高關(guān)停問題。

3 結(jié)語

光纖測溫技術(shù)在文昌海域B平臺直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，讓平臺人員實現(xiàn)了中控室對直流輸電系統(tǒng)功率單元的實時溫度監(jiān)控，及時預(yù)知潛在的散熱器故障，并預(yù)判直流輸電系統(tǒng)潛在的空調(diào)控制故障，極大的提高了設(shè)備穩(wěn)定性。為海洋石油及其他相關(guān)電力行業(yè)溫度監(jiān)控問題提供了較好的解決方案和相關(guān)經(jīng)驗。