光纖測溫系統在風力發電機組中的應用研究

朱 謹 益， 蔣 冒 閏， 廖 永 強

(西昌颶源風電開發有限公司，四川 西昌 615000)

1 概 述

風能作為一種清潔的可再生能源，在世界范圍內廣受重視，中國新能源戰略一直把大力發展風力發電設為重點，預計在“十四五”期間風電規劃裝機達到5.4億kW。據統計報告顯示，在風電機組安全事故中，毀滅性火災事故約占15%，其造成的損失最大，幾乎均導致機組整機損毀，甚至導致人員傷亡。

風機火災撲救難度大，一旦發生就會造成極大的直接損失(設備價值)和間接損失(發電量)，由于風電場的特殊性，火災后救援難度極大，救援風險性極高[1]。風機內部火災隱患點較多，電氣元件、油脂等可燃物均存在隱患，火災類型復雜，且火災環境惡劣(機艙外部空氣流通量大，塔筒內空間封閉，容易形成空氣對流，導致火災擴大)。風力發電機組火災監測系統的開發及應用研究已成為風電行業高度關注和十分緊迫的任務。

對光纖測溫系統在在風力發電機組中的應用進行研究，旨在在線監測風機內部各防火部位溫度信息，準確判斷火情、實現預警，以減少風機火災帶來的經濟損失、人員傷亡情況，同時也讓風機運行更加穩定可靠，推動行業持續發展，增加企業經濟效益、社會效益。

2 光纖測溫系統應用研究

2.1 光纖測溫技術介紹

光纖傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發展的一種新的傳感技術。光纖測溫主要分為兩種：一種是以光纖直接作為傳感器；另一種是以光纖光柵作為基礎傳感器。

光纖光柵測溫是以光纖作為信號傳輸媒介和傳感器載體，在光纖中寫入光柵作為傳感器，利用布拉格光柵的溫度敏感性和光的反射原理，光柵受溫度影響波長發生變化，通過解析波長變化信息獲得溫度信息。

分布式光纖測溫也是以光纖作為信號傳輸媒介，同時直接將其作為傳感元件，根據OTDR(光時域反射計)測量原理，利用拉曼散射效應進行測溫。當測溫主機向光纖注入光脈沖后，光纖中的拉曼散射光會沿光纖反射回來，這部分拉曼散射光與溫度有著密切的關系。測溫主機將對這部分拉曼散射光進行處理和分析，從而計算出傳感光纖各部位溫度[2]。

2.2 線型測溫技術對比

線型測溫主要手段為電纜測溫和光纖測溫。電纜測溫采用感溫電纜，其結構主要為兩根彈性鋼絲，每根鋼絲外面包有一層絕緣感溫材料。在正常監視狀態下，兩根鋼絲處于絕緣狀態，當周邊環境溫度上升到預定動作溫度時，溫度敏感材料破裂，兩根鋼絲產生短路，輸入模塊檢查到短路信號后產生告警。感溫電纜是一種帶電檢測，技術局限性較大，不能實現連續測溫，故不能實現在線監視設備溫度，已逐漸被光纖測溫替代。

光纖光柵測溫系統通過在光纖中寫入光柵，利用光柵的布拉格散射波長特性實現測溫，其成本較高，且在高溫環境下光柵存在退敏風險，可靠性不足。光柵雖布置于光纖，可采用線型布置，但其仍屬于點式測量，設計、施工和調試過程較繁瑣，維護性也較差。

分布式光纖測溫系統(Distributed Temperature Sensing，簡稱DTS)實際上是光纖光柵測溫系統換代產品，DTS是分布式的、連續的、功能型的光纖溫度測量系統。其中光纖既作為傳感元件也作為傳輸介質，利用一根光纜即可以完整監測防護區域各位置溫度，可進行實時、在線、連續溫度分布監測和熱源定位，具有容易安裝布線、可遠距離分布測量、可按需劃區等優點，且可靠性、可維護性較佳。具有預、報警功能，支持定溫、差溫、溫升、平均溫度等報警方式，可以對每點靈活設置報警方式和報警值[3]。

目前，大多數風機內部對于火災告警僅僅采用了少量的固定式點型感煙探測器，只有在風機內部火災已經發生后，通過可燃物燃燒產生的煙霧觸發風機火災告警。由于風電場的特殊性，一旦火災已經發生，外部救援幾平不可能實現。所以，針對早期火災的實時溫度監測、火災預警顯得無比重要，根據風機火災分析可知，分布式光纖測溫系統應用優勢極其明顯。

2.3 分布式光纖測溫系統主要構成

分布式光纖測溫系統一般主要由測溫主機、測溫光纜、測溫軟件組成。

2.3.1 分布式光纖測溫主機

光纖測溫主機是分布式光纖測溫系統的核心，集成嵌入式測溫軟件或通過安裝windows、linux等系統運行測溫軟件。主機具備多路相互隔離的光纖測溫接口，可同時對多路光纖光信號進行接收、處理。可通過多個繼電器進行輸出，將告警信號輸送到監控點。通訊接口方面具備RS232/RS485等接口實現數據連接，具備以太網接口可直接連接用戶的局域網或以太網進行數據共享，通過各網絡接口實現與周邊設備的數據交換，以擴展光纖測溫系統應用。

2.3.2 測溫光纖

測溫光纖作為分布式傳感器，同時進行溫度傳感及數據傳輸，實時感應光纖周圍的溫度的變化并傳輸至測溫主機。按使用場景可選擇不同的光纖類型，如螺旋鋼管鎧裝測溫光纜，屬于通用型的DTS探測光纜，可以適用絕大多數的DTS測溫環境。在長期高溫環境下可選擇耐高溫型鎧裝測溫光纜，其光纖外部包裹了凱夫拉、不銹鋼編織網及特氟龍外護套，由于特氟龍材料的耐熱性，使用溫度范圍可達200 ℃。此外還有非金屬耐高溫型測溫光纜、充油管型測溫光纜等，對各種測溫工控均具備極強的適用性。

2.3.3 測溫軟件

測溫軟件是分布式光纖測溫系統與用戶之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，用以實現人機交互。測溫軟件可實時顯示各路測溫光纖全程溫度分布曲線，可根據實際工況分區設置多級報警閾值，并提供歷史數據査詢及統計分析功能。溫度報警主要包括定溫報警(設定高溫/低溫定值)、差溫報警(實時溫度與平均溫度差)、溫升報警等，此外還具備光纖損壞、裝置異常等報警功能。通過測溫軟件可對各個繼電器進行輸出定義配置，可接入外部系統實現聲光告警、異常停機、自動消防控制等功能。

2.4 分布式光纖測溫系統的應用

2.4.1 測溫光纖的選擇

根據風機內測溫元件運行環境考慮，測溫光纖應具有耐油侵蝕、金屬屏蔽特性，具備連續測溫功能，可考慮采用符合標準的耐高溫型鎧裝測溫光纜等。

2.4.2 測溫光纖的布置

測溫光纖宜覆蓋機組機艙、機艙平臺底板下部、塔架及豎向電纜橋架、塔架底部設備層、各類電氣柜等部位，主要按下列方式進行布置。

(1)測溫光纖應設置于電纜橋架、機艙平臺底板下部電纜夾層、發電機主軸總成、儲油池及齒輪箱等部位，緊貼被保護物體表面安裝，并固定牢靠。

(2)應對機艙和塔筒底部、塔筒進人層等區域劃定探測區域。

(3)測溫光纖在電纜及電纜橋架或支架上設置時，采用接觸式布置，呈正弦波形或S形，覆蓋整個電纜橋架和所有電纜，采用尼龍扎帶或專用卡具等固定牢靠。

(4)測溫光纖在發電機組、變壓器、電抗器、主軸總成、儲油池及齒輪箱等重要設施上設置時，采用纏繞式布置，覆蓋對象的主要防火部位，宜采用磁扣或專用卡具固定牢靠，不能影響測溫對象正常運行維護。

(5)應充分利用測溫主機的多路光纖測溫通道，采用多組測溫光纖共同布置，同時測溫的方式。

(6)當劃定防護單元有聯動要求時，可通過測溫軟件對該區域測溫光纖設定盡可能多點位的多級報警信號作為聯動觸發信號[4]。

2.4.3 測溫主機的布置

測溫主機應安裝在塔基控制柜內，便于操作和維護。主機安裝在控制柜內易于通訊線纜布置，便于接入風電場通訊網絡，將機組測溫信息傳回風電場中央控制室供運維人員遠程監控。此外，也便于使用測溫主機上的其他通訊接口和繼電器輸出，可以實現接入風機主控單元實現測溫告警時停機等功能，也可便于擴展其他系統功能，如自動消防控制等。

2.4.4 擴展應用

分布式光纖測溫系統可實現全長連續測溫，其測溫數據除用于風機火災監測外，風電場運維人員可通過其實時測溫數據、測溫歷史數據分析風機內部設備運行工況、了解設備健康水平，輔助進行運行監視。

分布式光纖測溫系統在風機內除作為獨立系統運行外，根據其接口特點可以進行一定的應用擴展，以實現對風機的火災防護，主要有以下方式。

(1)接入風機主控系統。作為風機控制系統的子系統運行，向風機主控提供風機內部各部位測溫數據或直接提供告警信息供用戶查看。在某部位溫度達到設定值后由風機主控實現發出告警、觸發風機停機、觸發風機脫網等功能。

(2)接入風機自動消防系統。作為風機自動消防系統的子系統(子站)運行，根據消防系統需求設定監控點，負責向其提供模擬量或開關量輸出。消防系統根據分布式光纖測溫系統所提供數據，經過系統設備自行分析處理實現監、控聯動，自動滅火。風機自動消防系統主要結構，其中測溫光纖作為線型感溫傳感器運行，分布式光纖測溫系統作為自動消防系統的一個子站運行[5]，一種風機自動消防系統結構見圖1。

3 結 語

風機內部火災對于風機破壞極大，測溫系統作為重要的防火監測手段，有極高的應用價值。分布式光纖測溫系統可進行實時、在線、連續溫度監測，測溫及告警功能完善，可靠性、可維護性較佳，在風機內部應用優勢明顯，可實現對風機內部重要設施實時在線精準測溫。其測溫數據除用于風機火災監測外，也可用于分析風機內部設備運行工況、設備健康水平。分布式光纖測溫系統在風機內可進行多種擴展應用，如接入風機主控系統幫助完善機組控制，接入風機自動消防系統幫助實現機組自動消防。

分布式光纖測溫系統在風機中的應用可極大地提高機組運行安全性、可靠性。隨著風電行業逐步發展、“十四五”新能源規劃逐步推進，其必將受到更多研究關注，得到更廣泛的應用。