高壓開關(guān)柜無線組網(wǎng)式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

摘 要：本文研究了一種高壓開關(guān)柜無線組網(wǎng)式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：測(cè)溫主機(jī)、無線發(fā)射機(jī)、無線接收機(jī)。其中測(cè)溫主機(jī)采用光纖作為主要結(jié)構(gòu)，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、防爆、防雷擊的優(yōu)點(diǎn)；無線發(fā)射機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)用無線的方式進(jìn)行傳輸，這樣不但省去了鋪設(shè)電線的麻煩，也方便進(jìn)行無線組網(wǎng)。該系統(tǒng)被應(yīng)用于高壓開關(guān)柜內(nèi)的電纜接頭、動(dòng)、靜觸點(diǎn)等易發(fā)熱的接觸點(diǎn)處的溫度檢測(cè)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：光纖測(cè)溫系統(tǒng)；無線組網(wǎng)；高壓開關(guān)柜

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.128

1 前言

電力開關(guān)柜、斷路器、變頻器、GIS等高壓電力設(shè)備內(nèi)部金屬連接頭是很容易出現(xiàn)接觸不良、插接偏心不正常等情況。這將導(dǎo)致接觸電阻過大，在大電流下該處發(fā)熱嚴(yán)重，其結(jié)果是接頭溫度異常，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，發(fā)展到一定階段后，則會(huì)造成嚴(yán)重故障，破壞供電的安全可靠。因此，對(duì)接觸頭進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)的發(fā)熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障的早期預(yù)測(cè)與報(bào)警對(duì)于保障設(shè)備安全和降低電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)極為重要。

分布式光纖溫度傳感技術(shù)具有抗電磁場(chǎng)干擾、信號(hào)傳輸頻帶寬等特點(diǎn)。在電力系統(tǒng)中， 這種光纖傳感技術(shù)在高壓電力電纜、電氣設(shè)備因接觸不良易產(chǎn)生發(fā)熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機(jī)定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的溫度定點(diǎn)傳感場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。另外，無線組網(wǎng)技術(shù)也即現(xiàn)在非常熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過Zigbee等無線組網(wǎng)方式可以省掉鋪設(shè)電纜的麻煩，搭建了一個(gè)多點(diǎn)、大范圍的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行全天候的控制，大大節(jié)省了人力，提高了系統(tǒng)的安全監(jiān)控能力[1-6]。

2 技術(shù)原理

光纖溫度傳感技術(shù)主要依據(jù)的是光纖的光時(shí)域反射（OTDR） 原理以及光纖的背向拉曼散射（Raman Scattering）的溫度效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)， 這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。因光纖內(nèi)壁類似鏡子，故光脈在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射光，其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)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)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)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象， 若能測(cè)量出背向反射光的強(qiáng)度， 就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測(cè)量溫度的基本原理[7-15]。

3 光纖點(diǎn)式測(cè)溫系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：測(cè)溫主機(jī)、無線發(fā)射機(jī)、無線接收機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，無線發(fā)射機(jī)（無線發(fā)射模塊）根據(jù)需要可以集成在主機(jī)內(nèi)部也可以單獨(dú)在主機(jī)外面。系統(tǒng)工作過程如下：將測(cè)溫探頭貼在開關(guān)柜內(nèi)斷路器接觸頭處，當(dāng)接觸頭處溫度升高時(shí)，探頭處溫度敏感材料對(duì)光的反射會(huì)發(fā)生變化，光信號(hào)采集板接收到變化的光信號(hào)，將變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)行放大、濾波后再進(jìn)行AD采樣。采樣得到的數(shù)據(jù)根據(jù)溫度與反射光之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)字濾波處理，從而得到需要的溫度數(shù)據(jù)。采集到的溫度數(shù)據(jù)通過一無線發(fā)射模塊（本文用的是Zigbee模塊）發(fā)射出去。接收端由一臺(tái)PC機(jī)與無線接收模塊（也是Zigbee模塊）組成，PC機(jī)與無線接收模塊通過串口進(jìn)行通信，將獲得的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件顯示出來。通過PC機(jī)可以同時(shí)無線監(jiān)控多臺(tái)測(cè)溫主機(jī)，達(dá)到多點(diǎn)測(cè)量的目的。系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖如圖2，所用光纖測(cè)溫探頭如圖3所示。

4 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能及其優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）溫度檢測(cè)探頭無需外部供電，無需電池，一次安裝，終生免維護(hù)；（2）溫度檢測(cè)探頭的高絕緣性能、抗電磁干擾、抗腐蝕、防爆、防雷擊，使其能在惡劣的壞境下工作；（3）具有靈活的配置能力，可根據(jù)項(xiàng)目需要單機(jī)實(shí)現(xiàn)6點(diǎn)至128點(diǎn)的檢測(cè)通道；（4）可多機(jī)無線組網(wǎng)，一臺(tái)PC機(jī)可以同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)測(cè)溫主機(jī)；（5）測(cè)溫范圍廣，-20度到120度；測(cè)溫精度1度，分辨率0.1度。

5 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證測(cè)溫效果，搭建了一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)接觸頭模擬溫升試驗(yàn)系統(tǒng)：將斷路器的觸頭固定在銅排上并將測(cè)溫探頭和與之對(duì)比的熱電偶固定在觸頭處，銅排通入電流，然后慢慢加大電流使得觸頭的溫度不斷升高。記錄了10：47-11：48時(shí)間內(nèi)每隔三分鐘的溫度數(shù)據(jù)如表1所示，溫度曲線如圖4。

從曲線圖可以看出，探頭溫度數(shù)據(jù)與熱電偶的溫度數(shù)據(jù)擬合程度很好，但在局部探頭所測(cè)溫度與熱電偶所測(cè)溫度有所不同主要因?yàn)楣饫w探頭的安裝方式為表貼式，在溫度測(cè)量過程中受到環(huán)境的影響，總體上達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 結(jié)束語

研究無線組網(wǎng)式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，可方便、靈活的對(duì)電氣設(shè)備因接觸不良易產(chǎn)生發(fā)熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機(jī)定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行全天候的在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備隱患，對(duì)實(shí)現(xiàn)故障的早期預(yù)測(cè)和報(bào)警，保障設(shè)備安全和降低電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)具有重大意義。

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作者簡(jiǎn)介： 張欣（1984-），男，天津塘沽人，本科，工程師，主要從事：變電設(shè)備技術(shù)監(jiān)督及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。