變電站運(yùn)行設(shè)備測溫技術(shù)綜述及分析

摘 要：近幾年來，電力作為國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行成為了電力設(shè)備運(yùn)維部門的首要任務(wù)，而發(fā)熱故障一直是設(shè)備運(yùn)行管理過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此變電站運(yùn)行設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)測量是長期未解決的難題。從變電站運(yùn)行維護(hù)的工作實(shí)際出發(fā)，論述了國內(nèi)電力系統(tǒng)高壓帶電設(shè)備溫度測量的現(xiàn)狀和存在的問題，綜述了國內(nèi)當(dāng)前主要采用的運(yùn)行設(shè)備的溫度測量方法，分析了各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行了初步的探討，并對變電站運(yùn)行設(shè)備測溫技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行設(shè)備 紅外輻射測溫 分布式光纖測溫 無線測溫系統(tǒng)

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0021-02

近幾年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，電力作為國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)成為我國現(xiàn)代化建設(shè)重要的組成部分。電能的優(yōu)勢在于它的來源廣泛、清潔高效、使用方便、便于傳輸，它已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會重要的能源，在社會生產(chǎn)和人民生活中起著非常重要的作用，而且社會對電能的需求和依賴與日俱增，因此，電力設(shè)備運(yùn)維部門首先要保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

目前，我國的電力系統(tǒng)的格局是高電壓輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)，變電站作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，起著承上啟下的重要作用。為了實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離輸送和將電能分配到用戶需將發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)行多次電壓變換，這個(gè)任務(wù)由變電站完成[1]。

由于發(fā)熱故障一直是設(shè)備運(yùn)行管理過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，據(jù)國家電力安全生產(chǎn)監(jiān)督部門的統(tǒng)計(jì)，全國每年發(fā)生的多起電力事故多是由熱故障引起的[2]。這是因?yàn)橹圃旃に嚥涣?、安裝工藝不規(guī)范和長期運(yùn)行于惡劣環(huán)境下等原因造成設(shè)備連接點(diǎn)接觸不良，使其接觸電阻增大，而且在設(shè)備運(yùn)行時(shí)又會出現(xiàn)表面氧化、螺栓松動、絕緣老化等現(xiàn)象致使接觸電阻進(jìn)一步增大，在長時(shí)間運(yùn)行情況下有可能導(dǎo)致火災(zāi)或嚴(yán)重的人身、設(shè)備事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的社會影響，因此對變電站運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測是十分必要的。

1 關(guān)鍵技術(shù)

目前，對變電站運(yùn)行設(shè)備測溫方法有三種：非接觸式紅外輻射測溫技術(shù)、光纖測溫技術(shù)和無線測溫技術(shù)。在我國，多數(shù)變電站都是依靠運(yùn)行人員用紅外測溫儀對運(yùn)行設(shè)備易發(fā)熱部位進(jìn)行測溫，而分布式光纖測溫技術(shù)和無線測溫技術(shù)在變電站中應(yīng)用不廣泛。

1.1 非接觸式紅外輻射測溫技術(shù)

任何溫度在絕對零度以上的物體都會因自身的原子運(yùn)動而輻射出紅外能量，而物體的表面溫度與它所輻射出的能量有著直接的關(guān)系。被測物體發(fā)出的紅外輻射信號通過紅外探測器轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，傳至顯示器上，從而得物體表面熱分布圖，因此，紅外測溫儀接收物體發(fā)出的紅外能量從而測量出物體的表面溫度。上述方法能實(shí)現(xiàn)對被測物體進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫和熱成像，因此，紅外測溫技術(shù)開始成為測溫領(lǐng)域的主流。紅外測溫儀的原理圖如圖1所示。

但是，紅外測溫的準(zhǔn)確度和可靠性受鏡頭光學(xué)變形、拍攝角度、拍攝距離、被測表面形狀和環(huán)境溫度、濕度、氣壓等因素影響測量溫度不準(zhǔn)。這種非接觸式紅外測溫技術(shù)基本能夠滿足電氣設(shè)備在高電壓大電流等運(yùn)行狀態(tài)下對溫度監(jiān)測的要求[3]。運(yùn)行設(shè)備發(fā)熱是溫度不斷變化的過程，而且也與所在環(huán)境有很大的關(guān)系，當(dāng)運(yùn)行人員運(yùn)用紅外測溫儀對電氣設(shè)備接線板、動靜觸頭、線夾等易發(fā)熱部位進(jìn)行逐點(diǎn)測溫時(shí)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱故障點(diǎn)，特別容易誤測、漏測；此外，處于障礙物下和密封狀態(tài)的設(shè)備以及設(shè)備內(nèi)部，都不能采用紅外測溫儀進(jìn)行準(zhǔn)確測量，同時(shí)運(yùn)行人員長期處在高磁場、高輻射環(huán)境下，對身體健康影響很大。

1.2 光纖測溫技術(shù)

1.2.1 分布式光纖測溫技術(shù)

在光脈沖向前的傳播過程中，由于光纖的密度、應(yīng)力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發(fā)生散射現(xiàn)象，有一部分的散射光會按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。其中拉曼散射會產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號：斯托克斯光和反斯托克斯光，外部溫度的變化使光纖中的反斯托克斯光強(qiáng)發(fā)生變化，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量。溫度計(jì)算公式如下：

（1）

式中，、分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光光強(qiáng)，、分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光頻率，為拉曼散射頻移波數(shù)，僅與光纖材料有關(guān)，為普朗克常量，為玻爾茲曼常量，為光速，為絕對溫度。

探頭和通信信道都采用光纖，拉曼散射的溫度效應(yīng)用于測定溫度，光纖的光時(shí)域反射技術(shù)用于對測量點(diǎn)的定位，而且光纖的絕緣性能好，能夠在高磁場、高電壓條件下工作。這種分布式光纖測溫系統(tǒng)由測溫光纖、測溫主機(jī)、工作站及后臺組成，如圖2所示。

光纖測溫技術(shù)是一種實(shí)時(shí)在線測量溫度的技術(shù)，特別適合應(yīng)用于高電壓強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的變電所、高壓線路等，還可以用于變電站其它電信號和非電信號的采集和測量，是目前電力系統(tǒng)通信中正在逐步廣泛應(yīng)用的通信方式[4]。

采用分布式光纖測溫系統(tǒng)有很多優(yōu)勢，但是在實(shí)際應(yīng)用中成本高，布線復(fù)雜，且當(dāng)線路老化時(shí)拆換困難，因此未能廣泛應(yīng)用。

1.2.2 光纖光柵測溫技術(shù)

光纖光柵是一種反射式光纖濾波器件，通常采用紫外線干涉條紋照射一段10 mm長的裸光纖，纖芯吸收紫外線發(fā)熱產(chǎn)生永久型折射率周期變化。當(dāng)光束被傳播到光纖光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個(gè)波長稱為布拉格波長，如公式（2）所示。

（2）

式中，為光柵的布拉格波長，為光柵的有效折射率，為光柵的條紋周期。溫度變化時(shí)，光柵材料的熱脹冷縮，光柵條紋周期也會跟隨溫度變化，從而導(dǎo)致布拉格波長跟著變化。這樣通過檢測光柵反射光的波長變化，就可以知道光柵處的溫度變化。

光纖光柵測溫技術(shù)與分布式光纖測溫不同的是，它只測沿線若干點(diǎn)的溫度而不是測全線的溫度。光纖光柵測溫系統(tǒng)的工作方式，除以點(diǎn)式測溫代替分布式光纖的線式測溫外，其他基本相同[5]。

1.3 無線測溫技術(shù)

隨著微電子技術(shù)和無線通信技術(shù)不斷進(jìn)步，無線測溫技術(shù)才逐步發(fā)展起來。人們對無線資源的重視不斷推動著低功耗傳感器的快速向前發(fā)展。溫度傳感器的體積微小，但卻集信息采集、處理和無線通信等功能于一體，大規(guī)模的生產(chǎn)制造更是使得微型節(jié)點(diǎn)成本便宜、價(jià)格低廉[6]。

1.3.1 無線測溫技術(shù)組成

無線測溫技術(shù)的核心設(shè)備主要由無線溫度傳感器（如圖3所示）和數(shù)據(jù)處理單元兩部分組成，前者是利用電磁波傳遞溫度信息，將傳感器直接安裝在高壓設(shè)備容易發(fā)熱的部位（如圖4所示），因此溫度測量準(zhǔn)確，不僅解決了電氣絕緣問題，而且受氣候環(huán)境的影響較??；后者則將收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲，不但可以顯示實(shí)時(shí)溫度，便于運(yùn)行人員監(jiān)測，而且可以存儲數(shù)據(jù)，與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，了解溫度變化趨勢，還可以設(shè)定高溫報(bào)警閥值，發(fā)現(xiàn)溫度突然升高馬上報(bào)警，從而提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。無線測溫系統(tǒng)框圖如圖5所示。

1.3.2 無線測溫技術(shù)特點(diǎn)

（1）對于光纖測溫技術(shù)來說，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，將導(dǎo)致光纖表面放電。這使得用于室外開關(guān)設(shè)備的測溫應(yīng)用受到限制；而無線測溫技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了高壓隔離，且無需重新布線，這樣不僅可以節(jié)省投入成本，還大大減少運(yùn)維成本。

（2）在高電壓、大電流的運(yùn)行環(huán)境中，電磁干擾無法避免，為減少這些干擾對無線溫度傳感器的影響，其硬件設(shè)計(jì)上采用金屬屏蔽和濾波電路技術(shù)，另外為了消除隨機(jī)干擾，利用被測設(shè)備溫度變化較為緩慢的特點(diǎn)，適當(dāng)設(shè)定溫度測量周期、數(shù)據(jù)傳送密度，從而排除異常數(shù)據(jù)，保障溫度監(jiān)測的高效性和可靠性。

（3）無線測溫系統(tǒng)采用無線組網(wǎng)方式，多個(gè)無線溫度傳感器分布在無線信號接收裝置的周圍，在有效的通訊范圍內(nèi)可以隨意增減甚至移動傳感器位置。將后臺終端安裝于主控室，實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)測溫點(diǎn)溫度的變化情況，實(shí)現(xiàn)足不出戶掌握設(shè)備的發(fā)熱狀況，進(jìn)而做出正確的判斷。

2 結(jié)語

傳統(tǒng)的人工檢測和有線監(jiān)測方式都或多或少在這方面或那方面存在缺陷。當(dāng)然，變電站設(shè)備無線監(jiān)測技術(shù)也面臨著它自身的困難和問題：電源管理和抗干擾能力。隨著微電子低功耗技術(shù)和抗干擾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無線測溫技術(shù)相對于傳統(tǒng)的變電站測溫技術(shù)的各種優(yōu)勢將更加凸顯，無線測溫技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用會不斷得到普及，并有著廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

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