熒光光纖測溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜中的應(yīng)用

洪衛(wèi)棟

(榆林市消防支隊，陜西 榆林　719000)

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熒光光纖測溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜中的應(yīng)用

洪衛(wèi)棟

(榆林市消防支隊，陜西 榆林719000)

介紹了目前高壓開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警的主要方法及其優(yōu)缺點，提出了一種基于熒光光纖測溫的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成進行了詳細闡述，設(shè)計了其在高壓開關(guān)柜的安裝方式，并分析了該系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

火災(zāi)監(jiān)控；高壓開關(guān)柜；熒光光纖；溫度傳感器；在線測溫

0　引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力行業(yè)進入了高速發(fā)展的時代，與之相對應(yīng)的電力系統(tǒng)設(shè)備安全穩(wěn)定運行也顯得尤為重要。高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要設(shè)備，承擔著開關(guān)電力線路、線路故障保護、監(jiān)測運行電量數(shù)據(jù)等重要作用[1]。在長期運行過程中，高壓開關(guān)柜內(nèi)發(fā)熱部位的溫度無法實時監(jiān)測，由此最終導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生和大面積停電[2]。因此，及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜過熱問題，是杜絕此類事故發(fā)生的關(guān)鍵。

1　高壓開關(guān)柜測溫現(xiàn)狀

高壓開關(guān)柜溫度變化是一個漸變過程，如果在溫度異常變化沒有對高壓開關(guān)柜的運行造成影響前，能夠及時發(fā)現(xiàn)并正確處置，就會避免由于高壓開關(guān)柜發(fā)熱而引起的停電甚至火災(zāi)事故?？梢姡邏洪_關(guān)柜的溫度實時監(jiān)測非常重要，目前針對開關(guān)柜的測溫方案有以下三種：

1.1紅外測溫

紅外測溫儀由人工操作，使用比較靈活，現(xiàn)已成為高壓電力設(shè)備溫度檢測的一個重要手段[3]。但是紅外測溫儀體積較大，而開關(guān)柜內(nèi)空間狹小，無法安裝紅外測溫探頭；其制作成本高，精度一般(與距離有關(guān))，無法實現(xiàn)在線實時監(jiān)測；紅外測溫為非接觸式測溫，由于遮擋其無法準確測量關(guān)鍵點處溫度；其測溫精度容易受環(huán)境影響，如光線強度、霧氣、電磁場干擾等，所以其使用范圍受到極大制約[4]。

1.2無線測溫

現(xiàn)有的無線測溫方案，主要采用電池或者CT給測溫芯片供電，通過無線芯片發(fā)送測溫信號[5]。這種方案雖然實現(xiàn)了溫度信號的無線傳輸，但屬于有源方案，電池供電需要定時更換電池，而且電池抗高溫能力較差，給電力運營帶來影響；采用CT取能，傳感器體積大，布放的位置對取能效率影響較大，缺乏普遍適應(yīng)性，且存在若接頭電流較小，電能無法取出，若接頭電流較大，則容易燒壞CT直至燒壞傳感器，同時對參數(shù)選擇要求苛刻，可靠性不高[6]。

1.3光纖測溫

由于光纖傳輸系統(tǒng)絕緣強度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、體積小和結(jié)構(gòu)簡單，特別適合于在線測量電力系統(tǒng)中的溫度參數(shù)。光纖式測溫儀采用光纖傳遞信號，其溫度傳感器安裝在帶電物體的表面，測溫儀與溫度傳感器間用光纖連接。光纖測溫分為分布式光纖測溫、光纖光柵和熒光光纖測溫等多種方式，其中熒光光纖測溫方式優(yōu)勢最為明顯[7]，其壽命長，無需標定，探頭尺寸小易于安裝，美國熒光光纖測量電氣設(shè)備溫度的應(yīng)用已經(jīng)超過20年，其中不乏在500 kV變壓器繞組這樣要求極高的環(huán)境中使用的產(chǎn)品，事實證明安全可靠。

綜上所述，對于發(fā)電廠、變電所的電氣設(shè)備測溫，熒光光纖測溫技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。相比紅外測溫，可實現(xiàn)在線監(jiān)測，精度高；相比無線測溫，不受電磁干擾，體積小，壽命長。

2　熒光光纖測溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)組成與工作原理

熒光光纖測溫儀由顯示儀表、溫度解調(diào)儀、熒光光纖傳感探頭組成。如圖1所示，測量點為高壓開關(guān)柜的靜觸頭。將光纖探頭安裝到開關(guān)柜的靜觸頭后，溫度信息通過光纖傳輸?shù)浇庹{(diào)儀被計算出來，并提供顯示功能，可實現(xiàn)開關(guān)柜觸點在線溫度監(jiān)測。圖2為熒光光纖測溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

圖1　熒光光纖測溫系統(tǒng)安裝示意圖

圖2　熒光光纖測溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

熒光光纖測溫的原理：脈沖激光通過光纖傳輸?shù)絺鞲衅魈筋^，由于溫度的不同，傳感器探頭產(chǎn)生的熒光信號不同，通過光纖將熒光信號傳輸?shù)浇邮障到y(tǒng)，經(jīng)過處理、運算，獲得溫度值，如圖3所示。該測溫方法的優(yōu)點是被測目標的溫度是材料發(fā)出熒光壽命的單值函數(shù)，與系統(tǒng)的其他變量無關(guān)。即光源強度的變化、傳輸損耗、光耦合效率等都不影響測量的準確性，因此相對于其他測溫方法具有互換性高、穩(wěn)定性好、無需標定、壽命長等優(yōu)點。

圖3　熒光光纖測溫原理圖

3　安裝設(shè)計與應(yīng)用

對于在開關(guān)柜觸頭上的安裝，發(fā)熱點主要位于靜觸頭和動觸頭的接合部位，但此部位處于絕緣套筒的保護之下，里面的空間非常狹小。為了更準確的測量觸頭的發(fā)熱溫度，將光纖探頭的尺寸設(shè)計為2.3 mm，從套筒后部沿匯流排伸入套筒內(nèi)部，并設(shè)置耐高溫、高絕緣的安裝卡箍，可以將傳感探頭牢牢的固定在靜觸頭上。用卡箍先將傳感器探頭固定在傳感器固定槽里，然后把卡箍連同傳感器探頭一起卡到靜觸頭的圓柱體上，如圖4所示。安裝時把卡箍安裝在靜觸頭與匯流排的接合部位，與動觸頭保持安全距離。在條件允許的情況下也可以在靜觸頭上做相應(yīng)的凹槽或者打洞，直接膠接的方式進行安裝。

圖4　探頭在觸頭上的安裝

對于在開關(guān)柜電纜接頭處的安裝，采用專用航空硅膠將傳感器粘貼在電纜接頭處后采用專用扎帶捆綁固定。完成傳感器的安裝后，用絕緣扎帶將尾纖扎在與靜觸頭后部連接的銅排上，以防止萬一傳感器脫落時搭到相鄰的觸點上。光纖傳感器的尾纖護套設(shè)計用高絕緣、耐腐蝕的聚四氟乙烯制作而成，具有高絕緣、耐腐蝕、防塵、防污染、防爬電等性能。為了不影響柜內(nèi)電氣分布以及日后對柜內(nèi)檢修，柜內(nèi)尾纖要盡量沿柜體角落走線，也可以走專用的線槽或是與柜內(nèi)二次線路捆扎在一起。從監(jiān)控室到現(xiàn)場環(huán)網(wǎng)柜的通信光纜均走弱電橋架，并根據(jù)現(xiàn)場情況布設(shè)PVC管或鋼管。

該熒光光纖測溫系統(tǒng)在12 kV智能化開關(guān)進行了測試，測試時的環(huán)境溫度為18.8 ℃，并與傳統(tǒng)方式(熱電偶)進行了比對測試，分別對開關(guān)柜的手車上下插頭共6路溫度數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和記錄，測試結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明：采用熒光光纖在線測溫系統(tǒng)，不但能滿足系統(tǒng)的絕緣要求，而且還能如實準確的反映關(guān)鍵點的溫度，達到良好的性能要求[8]。

表1　測試數(shù)據(jù)

熒光光纖測溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)具有實時監(jiān)測功能，一旦開關(guān)柜監(jiān)測點溫度過高，其能及時識別并立即報警，給工作人員留出足夠的時間采取措施降低開關(guān)柜溫度，保證電力生產(chǎn)的正常運行，避免火災(zāi)事故的發(fā)生和大面積停電，延長開關(guān)柜使用壽命。

4　結(jié)論與展望

本文對比了幾種電力設(shè)備溫度監(jiān)測技術(shù)，介紹了熒光光纖測溫儀在開關(guān)柜的安裝。實際應(yīng)用表明，熒光光纖測溫儀對開關(guān)柜火災(zāi)探測報警性能水平產(chǎn)生了質(zhì)的提高。本設(shè)計研究有效克服了開關(guān)柜在運行過程中實時準確測溫的困難，極大提高了應(yīng)用該技術(shù)提高火災(zāi)預(yù)警、消除火災(zāi)危險的能力。同時，該熒光光纖測溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)也可應(yīng)用在其他需要實時監(jiān)控溫度變化的火災(zāi)危險場所，以實現(xiàn)火災(zāi)的實時預(yù)警，提高場所的火災(zāi)防控能力。

[1] 丁道振.基于ZigBee的高壓開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].廈門:集美大學,2013.

[2] 文江林，潘曉蘇，林應(yīng)文.基于光纖熒光的電力設(shè)備溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].沈陽工業(yè)大學學報，2005,27(4):435-438.

[3] 史麗萍，陳志杰，侯運.基于紅外傳輸?shù)臒o線測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].工況自動化,2010(8):23-25.

[4] 丁浩臣.遠紅外開關(guān)柜測溫裝置設(shè)計[J].電工技術(shù)，2008(9):54-55.

[5] 金振東，許篇，金峰，等.國內(nèi)高壓帶電設(shè)備測溫方式綜述及分析[J].電力設(shè)備，2007,8(12):57-61.

[6] 龔貽文,譚冰,劉文.聲表面波無線無源溫度傳感系統(tǒng)[J].電氣技術(shù),2010(11):101-104.

[7] 王玉田，胡俏麗，石軍彥.基于熒光機理的光纖溫度測量儀[J].光學學報,2010,30(3):655-659.

[8] 康利軍,樊維濤,朱香平,等.熒光光纖測溫技術(shù)在電力設(shè)備中的應(yīng)用[J].中國電業(yè)(技術(shù)版),2014(7):23-25.

(責任編輯馬龍)

On the Application of Fluorescence Fiber-optic Temperature Fire Monitoring System in the High Voltage Switchgear

HONG Weidong

(YulinMunicipalFireBrigade,ShanxiProvince719000,China)

According to the current methods as well as their advantages and disadvantages of switchgear fire warning, this paper proposes a fluorescence optical fiber temperature measuring type electric fire monitoring system, explains the working principle of the system whose compositions, the design of several high voltage switchgear installations are introduced in detail, and the advantage and application technology of the system analyzed.

fire monitoring system; high voltage switchgear; fluorescence fiber-optic; temperature sensor; online measuring temperature

2016-03-26

洪衛(wèi)棟(1979—)，男，江西吉安人，助理工程師。

TN253; D631.6

A

1008-2077(2016)06-0020-03