牽引變電所遠(yuǎn)程光纖測溫系統(tǒng)研究分析

李 巖，郭安平，景明順，程 坤

0 引言

西格線具有海拔高、氣候變化大的高原地區(qū)特點(diǎn)，研制遠(yuǎn)程光纖測溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對管內(nèi)牽引變電所內(nèi)所有高壓設(shè)備溫度實(shí)時監(jiān)測，主要是針對所內(nèi)電壓電流互感器、斷路器、高壓室母排等高壓設(shè)備間的連接點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，防止因設(shè)備發(fā)熱燒損設(shè)備和連接線而造成故障、事故，影響運(yùn)行。對西格線電壓互感器、所用變壓器燒損情況進(jìn)一步分析，對所內(nèi)溫度監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行不間斷監(jiān)測觀察，并記錄數(shù)據(jù)。

本課題研究對象為開發(fā)研制應(yīng)用于高原及高海拔地區(qū)電氣化牽引變電所、分區(qū)所及電力配電所電氣設(shè)備，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的遠(yuǎn)程光纖測溫系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測高壓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)熱超標(biāo)時，告警提示工作人員進(jìn)行及時處理，保證設(shè)備安全，確保鐵路行車安全、

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外存在幾種常見的測溫方式：

（1）采用定期熱像儀或點(diǎn)溫儀對設(shè)備進(jìn)行巡檢，熱像儀和點(diǎn)溫儀只能檢測到設(shè)備當(dāng)時的溫度，不能實(shí)現(xiàn)對設(shè)備溫度實(shí)時監(jiān)測并及時告警。

（2）紅外線在線測溫，溫度值誤差較大，而且受到外界環(huán)境干擾影響較大，并且造價(jià)昂貴。

（3）傳統(tǒng)在線溫度測量，使用傳統(tǒng)溫度傳感器，利用電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于本身帶電，抗射頻、抗電磁干擾能力差，受環(huán)境變化的影響大。

（4）光纖有線測溫，光纖具有電絕緣、本征安全、不受電磁干擾等特性，所以它非常適用于電力設(shè)備的溫度監(jiān)測。

光纖傳感系統(tǒng)和傳統(tǒng)傳感器的比較見表1。光纖測溫技術(shù)與紅外測溫技術(shù)及無源無線測溫技術(shù)比較見表2。

2 技術(shù)原理

光纖溫度傳感器的工作原理是采用光纖的光時域反射（OTDR）和光纖背向Raman 散射的溫度效應(yīng)，探測出沿著光纖不同位置的溫度變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測量。當(dāng)一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時，這個光纖脈沖會沿著光纖向前傳播，在傳播中的每一點(diǎn)都會產(chǎn)生反射，其中一小部分的反射光（斯托克斯和反斯托克斯散射光）的方向正好與入射光的方向相反（亦可稱為“背向”），這種背向反射光的強(qiáng)度與光纖中的反射點(diǎn)的溫度有一定的關(guān)系，反射點(diǎn)的溫度（該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度）越高，反射光的強(qiáng)度也越大，也就是說背向反射光 的強(qiáng)度可以反映反射點(diǎn)的溫度。測量原理圖見圖1。

表1 光纖傳感系統(tǒng)和傳統(tǒng)傳感器的比較表

表2 光纖測溫技術(shù)與紅外測溫技術(shù)及無源無線測溫技術(shù)比較表

圖1 測量原理圖

3 光纖測溫優(yōu)勢及系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

光纖測溫的優(yōu)勢：安裝光纖后不會降低電氣設(shè)備的絕緣水平；溫度、電磁場、過電壓、凝露、污穢、鹽分對光纖的絕緣水平基本不產(chǎn)生影響；光纖測溫系統(tǒng)不會對檢修、預(yù)試帶來問題。

系統(tǒng)光纖在鋪設(shè)時已經(jīng)考慮檢修問題，在安裝時鋪設(shè)在固定位置，其次光纖沿絕緣體表面順暢鋪設(shè)，并予以固定，只要不是人為意外損壞，光纖是不會損傷的。即使光纖損壞，也可方便地使用光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接，操作方便簡單。

光纖測溫系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：測量范圍包括2/4/6/8/10/15 km；長度分辨率為0.5/1/1.5/3 m；溫度測量精度為±1℃；測量方式為單端測量。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前期調(diào)研，本次項(xiàng)目實(shí)施設(shè)在西格線湟源牽引變電所內(nèi)，安裝穿墻套管室內(nèi)側(cè)8 個監(jiān)控點(diǎn)，饋線穿墻套管室外側(cè)4 個監(jiān)控點(diǎn)，8 臺高壓開關(guān)8個監(jiān)控點(diǎn)、4 臺電壓互感器8 個監(jiān)控點(diǎn)，所用變4個監(jiān)控點(diǎn)，共32 個監(jiān)控點(diǎn)。

4.1 光纖測溫系統(tǒng)組成

在主控室設(shè)1 臺高性能工控機(jī)作為本地測溫工作站；1 臺8 通道光纖傳感分析儀；32 只光纖傳感器；光分路器若干；16 芯鎧裝光纜及相應(yīng)安裝輔材。

4.2 安裝形式

光纖傳感分析儀與工控機(jī)、顯示器放置于主控室內(nèi)，電源采用220 V 交流電，從主控室UPS 電源引出；感溫光纖接頭連接在光纖傳感分析儀后端的光纖接口上，其余部分感溫光纖順延電纜溝鋪設(shè)，到各個溫度監(jiān)測點(diǎn)；光纖傳感分析儀的測量信息通過RS232 送往工控機(jī)，由工控機(jī)進(jìn)行各種處理。感溫光纖安全可靠，采用光信號，不會與動力電纜之間產(chǎn)生電磁干擾。

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件開發(fā)，通過數(shù)據(jù)接口將光纖傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，再通過面向?qū)ο笳Z言編寫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)軟件界面友好、操作簡潔，監(jiān)測人員能方便實(shí)時觀察到變電所一次設(shè)備溫度情況，系統(tǒng)主要功能包括：實(shí)時溫度顯示、實(shí)時曲線查看、歷史曲線查看、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、溫度過熱報(bào)警、歷史報(bào)警查詢、遠(yuǎn)程查看功能。

6 系統(tǒng)運(yùn)行分析

光纖測溫系統(tǒng)運(yùn)行后，各設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了后臺存儲，圖2 是西格線湟源牽引變電所201A開關(guān)的溫度曲線圖。

圖2 西格線湟源牽引變電所201A 開關(guān)的溫度曲線圖

從圖2 可以看出設(shè)備運(yùn)行正常、平穩(wěn)。各個開關(guān)不同部位的設(shè)備溫度雖然有差異，但變化趨勢相同，因此在設(shè)備的日常運(yùn)行中，如果發(fā)現(xiàn)某個設(shè)備的溫度變化出現(xiàn)異常，如溫度突然升高或變化趨勢和相鄰設(shè)備不符，就可以初步判斷該設(shè)備運(yùn)行可能存在缺陷，從而對其重點(diǎn)關(guān)注并及時處理。另外，通過對歷史數(shù)據(jù)的對比分析，如果某設(shè)備的溫升與歷史記錄不符， 也可以預(yù)判該設(shè)備存在隱患，而加強(qiáng)關(guān)注提前預(yù)防事故的發(fā)生。

7 結(jié)語

牽引變電所光纖測溫系統(tǒng)在西格線湟源牽引變電所實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了牽引變電所運(yùn)行設(shè)備的多點(diǎn)、實(shí)時、在線監(jiān)測，該系統(tǒng)集光纖傳感、光纖傳輸、光纖通信及計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體，具有本質(zhì)安全、長期可靠、耐電磁干擾、測溫響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠提高設(shè)備的運(yùn)行水平，降低設(shè)備因過熱損壞的幾率，降低設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，能夠更好地保證接觸網(wǎng)供電，減少故障停電的次數(shù)。

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