FBG無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在干式空心電抗器監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

郭小兵，束洪春，朱　濤，譚向宇，王　巖，李佳奇（.昆明理工大學(xué)，云南昆明6507；.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，云南昆明650500；.云南電力調(diào)度控制中心，云南昆明6500）

FBG無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在干式空心電抗器監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

郭小兵1，2，束洪春1，朱濤3，譚向宇2，王巖1，2，李佳奇1，2
（1.昆明理工大學(xué)，云南昆明650217；2.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，云南昆明650500；3.云南電力調(diào)度控制中心，云南昆明650011）

利用光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器設(shè)計(jì)出一種無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到了電抗器測(cè)量包封層6 h溫度變化曲線。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠全方位地反映內(nèi)部溫度分布情況，判斷溫度變化趨勢(shì)和確定異常溫度點(diǎn)的具體位置，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和保證電抗器穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了重要參考。

光纖Bragg光柵傳感器；無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)；干式空心電抗器

0　引言

電抗器在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其主要作用是限制短路電流或限制電網(wǎng)中的高次諧波，對(duì)電網(wǎng)起到重要的保護(hù)作用。然而，電抗器絕緣材料長(zhǎng)期在高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)的作用下其強(qiáng)度會(huì)逐漸變?nèi)?，絕緣性能降低。電抗器繞組的溫升是絕緣性能最主要的指標(biāo)之一［1，2］。因此，對(duì)電抗器運(yùn)行過(guò)程中繞組溫度的監(jiān)測(cè)是確保電抗器壽命，預(yù)防由于材料老化導(dǎo)致事故的有效措施。以前電抗器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)僅能通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量電抗器最外層的溫度，并不能準(zhǔn)確可靠地監(jiān)測(cè)到電抗器風(fēng)道內(nèi)的實(shí)際溫度，不能發(fā)現(xiàn)電抗器內(nèi)部早期過(guò)熱的情況，難以及時(shí)采取有效的運(yùn)維措施［3～5］。

本文設(shè)計(jì)了無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，從工程實(shí)際出發(fā)將無(wú)線光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器按照預(yù)埋方案安裝到電抗器包封內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

1　基于FBG傳感器的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)

1.1FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的FBG溫度傳感器由光纖光柵、陶瓷套管和一端引出部分與耦合器或解調(diào)儀相連。其中，測(cè)溫光柵一端與光纖相連固定在陶瓷套管上，而另一端自由懸空以保證該傳感器僅受溫度影響，具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1［6，7］。

圖1　FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)Fig 1　Structure of FBG temperature sensor

1.2無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)組成

無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)由電池、FBG溫度傳感器、控制電路和天線四個(gè)部分組成，系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。無(wú)線溫度傳感器的單片微處理器將被測(cè)設(shè)備溫度由溫度傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)無(wú)線發(fā)射接收模塊傳遞至讀寫器，微處理器將采集到的溫度信息通過(guò)RS—485通信模塊上傳到PC。

圖2　無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)組成示意圖Fig 2　Composition diagram of wireless temperature measurement system

2　電抗器實(shí)測(cè)的傳感器位置分布

2.1溫度傳感器軸向分布

在軸向上，氣流從底部進(jìn)入氣道后吸收包封散出的熱量，氣體溫度升高，在包封上部氣體溫度較高致使上部包封熱量散出困難。結(jié)合以往事故經(jīng)驗(yàn)和廠家提供的熱點(diǎn)位置，電抗器的熱點(diǎn)溫度一般在距上端40～50 cm處，一般靠近出線端，散熱效果與海拔有關(guān)。依據(jù)本型號(hào)電抗器熱點(diǎn)位置分布，在電抗器的從里向外數(shù)的溫度較高包封層（1，3，5，6，7，9，11）外壁上沿高度方向裝設(shè)10只溫度傳感器。由于軸向長(zhǎng)度較大，在3，5，7包封的不同軸向高度上安裝了2只傳感器，目的是普測(cè)包封上下部的溫度分布，傳感器軸向分布如圖3所示。

圖3　傳感器軸向分布圖Fig 3　Axial distribution of sensor

2.2溫度傳感器幅向分布

預(yù)埋溫度傳感器在電抗器包封中上部400 mm（自上到下，線圈本體高度為1 900 mm），預(yù)埋兩點(diǎn)（以下端子為基準(zhǔn)）順時(shí)針成22.5°和67.5°位置（見(jiàn)圖4），預(yù)埋點(diǎn)位置盡量放在相鄰2根通風(fēng)條中間位置。

圖4　傳感器幅向分布Fig 4　Amplitude distribution of sensor

根據(jù)上面的傳感器軸向和幅向分布方案，采用專用工具將無(wú)線傳感器涂灰色絕緣膠5mm粘附于包封見(jiàn)通道中。安裝完成示意圖如下圖5所示。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

3.1電抗器實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)選取的電抗器參數(shù)為：額定電壓35 kV；額定電流990 A；容量20000 kvar。在電抗器兩端加最高運(yùn)行電壓23.45 KV，最高運(yùn)行電流1135A，連續(xù)加壓6h，最后斷電2h小時(shí)，觀察干式空心電抗器包封層在其溫升過(guò)程中的溫度變化情況。干式空心電抗器溫升實(shí)驗(yàn)電壓與電流示意圖如圖6所示。

圖5　傳感器安裝完成示意圖Fig 5　Diagram of sensor after installation is completed

圖6　溫升實(shí)驗(yàn)電壓與電流示意圖Fig 6　Voltage and current of temperature rise experiment

3.2溫度傳感器數(shù)據(jù)分析

測(cè)溫系統(tǒng)采樣間隔時(shí)間最小默認(rèn)1 s，由于本實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，故每間隔15 min抽取一個(gè)溫度的平均值。圖7為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中10只溫度傳感器采集的溫度值變化情況。

從圖7可以看出來(lái)，無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)中各傳感器工作正常，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定。在持續(xù)加壓的過(guò)程中，干式空心電抗器的包封層從外到里溫度逐次增加，在斷電以后，從內(nèi)向外溫度的降低幅度逐漸增大，說(shuō)明內(nèi)層包封的運(yùn)行環(huán)境更為惡劣，更易發(fā)生絕緣老化現(xiàn)象。在第3，5，7包封層軸向下部的溫度略高于上部的溫度，說(shuō)明在同一包封層中上部為絕緣薄弱處。

4　結(jié)論

相比于紅外測(cè)溫儀只能監(jiān)測(cè)電抗器外表面溫度，使用范圍局限，很難監(jiān)測(cè)干抗內(nèi)部實(shí)際溫度的情況。無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便，能全方位地反映內(nèi)部溫度分布情況，能提取溫度曲線，判斷溫度變化趨勢(shì)，確定異常溫度點(diǎn)的具體位置，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和保證電抗器穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了重要參考。

［1］劉?，?，魏賓.干式空心電抗器的運(yùn)行分析及故障處理［J］.高壓電器，2004，40（3）：239-240.

［2］何東平，孫白.35 kV干式空芯并聯(lián)電抗器運(yùn)行情況及故障電抗器的解剖分析［J］.電力設(shè)備，2004，5（2）：48-51.

［3］王海倫，蔡志宏，范一鳴.電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（7）：97-99.

圖7　各包封層的溫度曲線Fig 7　Temperature curve of each package layer

［4］李愛(ài)群，周廣東.光纖Bragg光纖傳感器測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，39（6）：1298-1306.

［5］Erdogan T.Fiber grating spectra［J］.Journal of Lightwave Technology，1997，15（8）：1277-1294.

［6］李川，孫宇.分離應(yīng)變和溫度的差動(dòng)式光纖Bragg光柵傳感器［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004（3）：53-54.

［7］魏鵬，李麗君，郭俊強(qiáng).光纖Bragg光柵應(yīng)力傳感巾溫度交叉敏感問(wèn)題研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2008，29（1）：105-109.

Application of FBG wireless temperature measurement system in monitoring of dry type air-core reactor

LI Jia-qi1，2，GUO Xiao-bing1，2，SHU Hong-chun1，ZHU Tao3，TAN Xiang-yu2，WANG Yan1，2
（1.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650217，China；2.Graduate Workstation，Yunnan Power Grid Company，Kunming 650500，China；3.Yunnan Electric Power Dispatching Control Center，Kunming 650217，China）

Aiming at difficult problem of reactor temperature detection，a kind of wireless temperature measurement system is designed by using fiber Bragg grating（FBG）temperature sensor.Temperature change curve of reactor wrappage for 6 h is obtained by experiment.The results show that the system can fully reflect internal temperature distribution，judge trend of temperature change and determine specific location of abnormal temperature point，provide important reference for the timely detection of failures and to ensure stable and reliable operation of the reactor.

FBG sensor；wireless temperature measurement system；dry type air-core reactor

TH741

A

1000—9787（2016）05—0149—02

2015—09—15

聚四氟乙烯組裝而成的，傳感器一端的光纖放置在聚四氟

乙烯套管中，并采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝在陶瓷套管內(nèi)，而光纖另

郭小兵（1988-），男，四川樂(lè)山人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。