光纖測溫技術在直流輸電系統中的應用

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進行電力輸送。A平臺上設置有直流輸電整流站，B平臺設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有24個可插拔式功率單元，其中正極、負極各一半。系統自投運以來，經常出現單元溫度高停機情況。逆變功率單元有溫度保護功能，在散熱器上設置有兩個串聯的溫度開關，只要有一個溫度開關動作就會觸發關停。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動作時散熱片的實際溫度，也就很難進一步分析導致溫度高關停的原因。為了保障直流輸電的安全連續運行，決定尋找新的測溫技術，以實現對功率單元散熱器的實時溫度監測。

1 溫度監測方法的選擇

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)，這些高壓電導致的強電磁場限制了使用導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、損耗低等優點，受到電網建設者和設計者的廣泛關注[1]。它本體無導電部分，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、穩定可靠、應用方便等特性，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對一段光纖進行測溫[2]，這種方式優點在于，單獨一根光纖即時測溫元件，又是數據傳輸載體，可以將一根數km長的光纖分成數千個段進行測溫。但是每個溫度點位置不精確，僅能精確到1 m內。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制相位相匹配的窄帶光刺，即反射窄帶光刺與光柵結構相關，但石英光纖格柵會受溫度影響發生熱脹冷縮，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。

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對B平臺的直流輸電逆變功率模塊進行溫度監測。

2 光纖測溫技術的實施

2.1 溫度監控數據的接入位置選擇

光纖測溫系統安裝后的相關功率單元散熱器的溫度監控數據需要接入人機界面實現顯示，信號接入有三個方法選擇。首先，可以增設專用的電腦，將監控數據接入專用電腦進行監控。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，監控數據可以接入直流輸電系統的本體的監控系統，但是這個監控系統是用VC編寫的，為專用程序，需要直流輸電公司專業工程師修改調試程序才能實現。由于廠家工程師人員協調較為困難，且人員勞務費用較高，因此不考慮這種接入方法。最后，監控數據可以接入位于B平臺中央控制室(以下簡稱“中控室”)的監控觸摸屏，觸摸屏的組態較為簡單，修改也很方便，只需要在原有系統上進行升級即可。經過綜合考慮，最終確定溫度監控數據接入位于B平臺中央控制室的監控觸摸屏。

2.2 設備選擇

經過篩選，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的基礎原件。考慮到模塊所需的電源線以及模塊信號傳送至中控系統所需要的通信電纜，該套測溫系統所需要的相關原件及材料如表1所示。

表1 相關原件及材料

2.3 系統構架

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。觸摸屏的軟件負責顯示24個功率單元的實時溫度并進行記錄，同時根據溫度上漲情況，根據溫度上漲情況反饋至直流輸電空調的PLC模塊，實現功率單元箱內部的溫度控制反饋。具體構架圖如圖1所示。

圖1 測溫裝置構架圖

2.4 人機界面組態

中控室觸摸屏的人機界面主要負責顯示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 存檔的歷史數值

2.5 光纖測溫技術拓展

光線測溫技術在直流輸電系統中現溫度實時顯示監控的功能之外，還以進一步發掘光纖溫度監測所記錄的數據價值。通過這些數據的分析，可以總結溫度與負荷的對應關系，實現預知維修，提前預警，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不良的部位，再通過通風風道的改善，改善系統散熱能力，徹底解決溫度高關停問題。

3 結語

光纖測溫技術在文昌海域B平臺直流輸電系統的應用，讓平臺人員實現了中控室對直流輸電系統功率單元的實時溫度監控，及時預知潛在的散熱器故障，并預判直流輸電系統潛在的空調控制故障，極大的提高了設備穩定性。為海洋石油及其他相關電力行業溫度監控問題提供了較好的解決方案和相關經驗。