基于光纖測溫的高壓干式電抗器測溫系統(tǒng)

(福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 泉州 350503)

1 引言

干式串聯(lián)空心電抗器由于無油、維護(hù)量小，越來越多應(yīng)用于城鄉(xiāng)建設(shè)中。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力需求日益增加，出現(xiàn)了大量的長距離、大容量輸電的情況，同時(shí)電力用戶對(duì)供電的質(zhì)量要求越來越高，使得電力系統(tǒng)對(duì)220kV串聯(lián)聯(lián)電抗器的需求量也越來越大，對(duì)電抗器的要求也越來越高。串聯(lián)電抗器在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中因?yàn)榇箅娏鲿?huì)在線圈上消耗功率，引起線圈發(fā)熱甚至燒壞。為了提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，并保證電抗器長時(shí)間運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，需要采取相應(yīng)的措施對(duì)電抗器的溫度和溫升進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和監(jiān)控[1]。

由于電抗器的工作電壓等級(jí)高，常規(guī)的測溫手段不能滿足要求。目前高壓電抗器測溫有以下三種方式：電抗器上加裝無線測溫裝置、紅外遠(yuǎn)距離測溫裝置和光纖測溫裝置。加裝無線測溫裝置存在供電不穩(wěn)定、維護(hù)困難問題，因加裝無線測溫裝置不正確還有過導(dǎo)致電抗器故障的案例。紅外測溫雖方便安全，但是只能測量電抗器的表面溫度，且較難做到在線測量。因此，近年來，隨著光纖測溫技術(shù)的發(fā)展，光纖測溫裝置以其高耐壓、高絕緣、無火花、耐腐蝕等特點(diǎn)，得到了越來越多的應(yīng)用。為促進(jìn)光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于變電設(shè)備運(yùn)行溫度的實(shí)時(shí)、在線、直接測量，國家電網(wǎng)公司于2016年9月要求對(duì)10kV～500kV電抗器主要變電設(shè)備(暫不包括充氣絕緣設(shè)備)采用光纖溫度在線監(jiān)測裝置[2]。本文以實(shí)際案例介紹了熒光式光纖溫度測量系統(tǒng)在220kV高壓串聯(lián)電抗器的應(yīng)用和設(shè)計(jì)。

2 熒光式光纖傳感器機(jī)理

熒光壽命式光纖溫度傳感器的感溫元件為熒光材料，置于傳感頭頂端，通過光纖與激勵(lì)光源、光電探測器等器件相連。熒光材料受到特定波長的激勵(lì)光激勵(lì)，其內(nèi)部的電子吸收了光子能量，從基態(tài)低能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)高能級(jí)，而當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)時(shí)，將會(huì)受激輻射出熒光[3]。當(dāng)激勵(lì)光消失后，熒光強(qiáng)度以類指數(shù)方式衰減。熒光的持續(xù)時(shí)間與衰減特點(diǎn)取決于激發(fā)的狀態(tài)，與熒光物質(zhì)特性有關(guān)。衰減的時(shí)間常數(shù)稱之為熒光壽命，特定環(huán)境溫度下熒光壽命具有特定值，即熒光壽命與溫度具有確定關(guān)系，溫度升高熒光壽命單調(diào)性下降。因此通過測量熒光壽命再根據(jù)關(guān)系式換算就可以得到所測溫度。激發(fā)光和熒光余輝衰減曲線如圖1所示。

圖1 熒光余輝強(qiáng)度變化圖

熒光余輝的持續(xù)時(shí)間依賴于激發(fā)態(tài)的壽命(該壽命稱為熒光壽命或熒光衰落時(shí)間)，其表達(dá)式為[4]：

其中I(t)-熒光信號(hào)的強(qiáng)度；I0-時(shí)間為0時(shí)即激勵(lì)光激發(fā)熒光材料之后的熒光信號(hào)的強(qiáng)度；τ-熒光壽命，是熒光信號(hào)從I0衰減為I0/e時(shí)的時(shí)間，它僅與溫度直接相關(guān)，為溫度的函數(shù)；t-測量時(shí)間；ε(t)-各種噪聲總和。

熒光壽命τ與溫度有確定的關(guān)系，不同溫度的熒光壽命不同，并且為熒光材料的內(nèi)在固有特性。熒光壽命檢測方法有時(shí)域法和光強(qiáng)閾值法等，測量熒光強(qiáng)度從激勵(lì)光消失時(shí)下降到I0/e的時(shí)間即熒光壽命，該方法設(shè)計(jì)簡單容易在嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。此外還有積分比值法：通過測量2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熒光信號(hào)積分與干擾信號(hào)的差值之比計(jì)算熒光壽命；數(shù)據(jù)擬合法：對(duì)熒光信號(hào)取對(duì)數(shù)，曲線變成直線，再采樣進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，完整還原熒光衰減曲線，進(jìn)而求出熒光壽命；遞歸算法：使用L-M遞歸算法分析熒光衰減曲線等其他方法。

在對(duì)采樣數(shù)據(jù)處理的算法上，可以采用頻域法、快速傅里葉變換法等，使用數(shù)字信號(hào)技術(shù)處理熒光衰減波形。這類算法速度快，精度高，不受本底噪聲影響。根據(jù)熒光式光纖傳感器的測溫機(jī)理，可以設(shè)計(jì)出適合于高壓電抗器的熒光式光纖測溫裝置，并進(jìn)而設(shè)計(jì)出溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

與其他光纖溫度傳感器如分布式、光纖光柵式等相比，熒光式光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)低成本的單點(diǎn)測溫。因?yàn)闇y量的溫度量僅與熒光壽命有關(guān)，與光強(qiáng)無關(guān)，這種突出的特點(diǎn)可以避免因光路安裝、長時(shí)間工作后電路信號(hào)強(qiáng)弱變化而帶來的測量誤差。此外，由于感溫?zé)晒獠牧鲜窍⊥猎責(zé)o機(jī)材料，配套使用石英光纖后可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)450℃的測溫和工業(yè)級(jí)的測量精度[5]。

3 熒光式光纖測溫裝置

熒光式光纖測溫裝置結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，溫度解析儀器的光纖模塊發(fā)出激發(fā)光，激發(fā)光通過多模光纖傳導(dǎo)到感溫探頭末端。末端的稀土材料受激發(fā)后產(chǎn)生熒光，熒光反射光回傳至光纖模塊。光纖模塊解析出反射光中的溫度信息，由溫度解析儀器處理通過人機(jī)交互界面顯示，并通過光纖通信傳輸至后臺(tái)終端，后臺(tái)終端根據(jù)溫度信息，控制不同的功能模塊輸出相應(yīng)的保護(hù)或報(bào)警信號(hào)。溫度與熒光壽命關(guān)系為熒光材料固有內(nèi)在特性，不受外界環(huán)境因素干擾，因此具有較高的測量精度。

圖2 光纖測溫裝置結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)上述原理，熒光式光纖測溫裝置基本原理框圖如圖3所示。由激勵(lì)光信號(hào)模塊、光傳輸耦合模塊、傳感探頭部分、信號(hào)調(diào)理電路和溫度信號(hào)處理模塊等5個(gè)部分組成。溫度解析儀器的激勵(lì)光信號(hào)模塊發(fā)出周期性的矩形脈沖激勵(lì)光。光纖傳輸激勵(lì)光到傳感頭激勵(lì)熒光材料，熒光材料受激勵(lì)后發(fā)出熒光由光纖傳回到到光纖模塊。在溫度解析儀器內(nèi)通過濾光片濾光取出所要波長段的熒光并聚焦照射到光電探測器件，光電探測器件將熒光轉(zhuǎn)換為光電流信號(hào)。微弱信號(hào)經(jīng)過濾波電路濾除噪聲后被放大電路變成較大幅值的信號(hào)，通過采樣成為數(shù)字信號(hào)。再由熒光壽命檢測單元計(jì)算出熒光壽命，經(jīng)過信號(hào)處理依據(jù)溫度和熒光壽命的關(guān)系得溫度，最后加以顯示輸出。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)進(jìn)行控制。并與上位機(jī)進(jìn)行通信輸出并顯示測溫結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行由單片機(jī)進(jìn)行控制與調(diào)整。

圖3 光纖測溫裝置原理框圖

另外在激勵(lì)光源的選擇上，由于LED具有壽命長、光效高、輻射低、功耗小、工作電壓低、體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，激勵(lì)光源通常采用LED。如果在LED的半導(dǎo)體材質(zhì)中摻雜不同的稀土元素可使LED發(fā)射不同波長的激發(fā)光，可以很好地兼容其他光路部分。

針對(duì)高壓電抗器的應(yīng)用特點(diǎn)和環(huán)境，熒光式光纖測溫裝置遵循如下設(shè)計(jì)原則。

防塵、防雨淋、散熱。為了保證測溫裝置安裝在戶外能良好的運(yùn)行穩(wěn)定，采用密封性箱子外罩，并在傳輸引線都采用橡膠片防塵設(shè)計(jì)。箱子上方打小孔散熱，并設(shè)計(jì)屋檐式蓋板，在風(fēng)吹雨打過程中保證測溫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

高可靠穩(wěn)定性。在整個(gè)電力電網(wǎng)運(yùn)行過程中輻射出來的電磁場，對(duì)測溫裝置產(chǎn)生的電場、磁場干擾，測溫裝置整體設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)抗擾度能力。采用密封箱罩住，隔斷電場、磁場對(duì)測溫裝置的干擾。采用光纖通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)方傳輸，隔離了電磁場的干擾，提高了測溫裝置在整個(gè)系統(tǒng)的高可靠穩(wěn)定性。

經(jīng)濟(jì)效益性。220kV 高壓電抗器在電力電網(wǎng)中起到至關(guān)重要的角色。為了保證整個(gè)電力電網(wǎng)供電系統(tǒng)穩(wěn)定，減少故障率，避免串聯(lián)電抗器在電網(wǎng)運(yùn)行過程中溫升過高，使得電抗器一旦發(fā)生爆裂與火災(zāi)事故將引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失。采用測溫裝置系統(tǒng)起到相應(yīng)的預(yù)防措施避免此類事故。

人性化設(shè)計(jì)。測溫裝置采用大屏LCD液晶屏幕，數(shù)字與中文顯示。微觸按鍵操作、LED信號(hào)指示顯示燈人性化設(shè)計(jì)等。

綜上所述，測溫裝置能達(dá)到以下技術(shù)參數(shù)：工作電源：AC220V (-15%～+15%)；工作頻率：50Hz或60Hz(±2Hz)；測溫范圍：-30.0℃～240.0℃；測量精度：±1 %FS；安裝方式：戶外安裝；光纖光纜：30m；溫度補(bǔ)償范圍：-19.9℃～+19.9℃；測溫路數(shù)：12路；工作環(huán)境：-40℃～+55℃。

4 高壓電抗器測溫系統(tǒng)的集成

本設(shè)計(jì)采用熒光式光纖測溫裝置(以下稱測溫裝置)，可以實(shí)現(xiàn)高壓串聯(lián)電抗器的多路在線測溫。系統(tǒng)由多路光纖測溫探頭、光纖光纜、溫度解析儀器、溫控器儀表、人機(jī)交互界面和光纖通信模塊組成。測溫裝置針對(duì)電力系統(tǒng)中串聯(lián)電抗器運(yùn)行的本體溫度測量，根據(jù)本體溫度的不同輸出相應(yīng)的功能：超溫報(bào)警、超溫跳閘等人機(jī)交互信息并通過光纖通信傳至后臺(tái)系統(tǒng)。系統(tǒng)在根據(jù)相應(yīng)的功能信息開啟防護(hù)措施。通過上述方案實(shí)現(xiàn)220kV電抗器測溫系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)采集、智能控制、光纖通信、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)。

高壓電抗器測溫系統(tǒng)的組網(wǎng)由多個(gè)多通道測溫裝置組成，可同時(shí)檢測多個(gè)獨(dú)立的溫度點(diǎn)，用一條通訊電纜可將多路測溫點(diǎn)連接到PC機(jī)進(jìn)行測控。多個(gè)測溫裝置的RS485通訊端口并聯(lián)工作，組成溫度SCADA系統(tǒng)，如圖4所示。

每套多路測溫裝置負(fù)責(zé)一相線圈的溫度測量，每相線圈在空間上分布著12個(gè)測溫點(diǎn)。多路測溫裝置的主要功能有：(1)提供12路光纖傳感器測溫；各測溫通道顯示值數(shù)字補(bǔ)償功能；LCD液晶顯示、LED顯示燈、帶操作鍵盤。(2)提供黑匣子功能，能記錄測溫裝置斷電前的溫度數(shù)據(jù)及歷史最高溫度值。(3)提供光纖通信傳至后臺(tái)系統(tǒng)；報(bào)文含超溫報(bào)警、超溫跳閘、測溫裝置故障等報(bào)文；報(bào)文格式采用國際通用MODBUS-RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

圖5為高壓電抗器測溫系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖?，F(xiàn)場的三套高壓電抗器呈“品”字型布置，電抗器高度9m，電抗器間距8m。按照電抗器外形尺寸和布局尺寸。設(shè)計(jì)光纖傳感器長度為30m，并預(yù)留了光纖電纜的長度設(shè)計(jì)。光纖傳感器在布線過程中采用線管穿過。預(yù)埋探頭位置在距離電抗器上端大概30～40cm的部位安裝，采用高溫膠黏住。測溫裝置采用落地式安裝，采用四腳支架固定在地面上，然后在把測溫裝置固定在支架上。光纖傳感器、光纖通信接口、電源線接入測溫裝置中。

圖4 高壓電抗器測溫系統(tǒng)的集成

圖5 高壓電抗器測溫系統(tǒng)安裝圖

由于光纖測溫具有柔韌性好、彎曲度大、結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕等特點(diǎn)，可以到達(dá)高壓電抗器內(nèi)部的特殊空間或特定區(qū)域，適應(yīng)其復(fù)雜安裝環(huán)境。另外，光纖本身具有極好的絕緣性能(耐高壓可達(dá)100kV以上)，具有很強(qiáng)的耐受和抗干擾能力，而且傳感頭中無金屬部件、沒有電信號(hào)、防燃防爆、耐化學(xué)腐蝕、不怕水、不怕油，能適應(yīng)高電壓、強(qiáng)磁場和強(qiáng)輻射的高壓電抗器運(yùn)行環(huán)境，易于安裝和使用[6]。

測溫系統(tǒng)安裝步驟如下：(1)將光纖測溫探頭固定在物體溫度被測點(diǎn);(2)將光纖另一端接多路測溫裝置的光纖接口中;(3)多路測溫裝置的通信端子并聯(lián)，通過通信適配器連接到PC機(jī);(4)多路測溫裝置的電源端子并聯(lián)接直流24V電源;(5)多路測溫裝置上電數(shù)秒鐘后，模塊頂部指示燈亮，系統(tǒng)開始工作;(6)開啟PC機(jī)電源，運(yùn)行熒光式光纖測溫系統(tǒng)溫度監(jiān)測軟件。通過操作界面設(shè)置，PC機(jī)可以開始進(jìn)行監(jiān)控。

5 監(jiān)測系統(tǒng)和運(yùn)行效果

熒光式光纖測溫監(jiān)測系統(tǒng)采用當(dāng)今流行的Labview語言編程。系統(tǒng)基本主界面實(shí)現(xiàn)三通道測量分別對(duì)應(yīng)A、B、C三相線圈，用戶可根據(jù)需求定制擴(kuò)展通道數(shù)。溫度監(jiān)測軟件通過串口方式與多路測溫裝置(下位機(jī))通訊，實(shí)時(shí)顯示、記錄并監(jiān)控三個(gè)通道的測溫結(jié)果，具有數(shù)據(jù)記錄、高溫報(bào)警和通訊故障自檢等功能。系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，并具有使用方便、響應(yīng)快速和界面友好等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的界面與設(shè)置如下圖：

主要功能特點(diǎn)有:(1)安裝方便，操作簡單，適用于win2000及以上系統(tǒng)；(2)使用USB通用接口，可轉(zhuǎn)換成RS232/RS485，方便SCADA系統(tǒng)組網(wǎng)；(3)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議，16位CRC校驗(yàn)，可靠性高；(4)各通道曲線特性、報(bào)警溫度與采集時(shí)間可由用戶根據(jù)使用要求自行設(shè)置；(5)以數(shù)據(jù)庫方式保存數(shù)據(jù)，支持導(dǎo)出數(shù)據(jù)至excel文件的功能，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢；(6)可通過溫度曲線與溫度表格兩種方式查看當(dāng)前或歷史數(shù)據(jù)；(7)功能強(qiáng)大的顯示界面，支持局部曲線橫向、縱向放大、全屏顯示等功能，便于分析。

該軟件可以設(shè)置光纖測溫裝置的個(gè)數(shù)，可以設(shè)置光纖測溫裝置的測溫通道數(shù)量。界面實(shí)時(shí)顯示光纖測溫裝置的所有通道溫度數(shù)據(jù)曲線或者溫度列表。一個(gè)測溫裝置對(duì)應(yīng)一個(gè)曲線框。該軟件能存儲(chǔ)每個(gè)通道1個(gè)月的測量數(shù)據(jù)，以便于查看分析。界面還能顯示超溫報(bào)警狀態(tài)，并可以導(dǎo)出超溫報(bào)警的歷史記錄。在使用該監(jiān)測軟件時(shí)，可以對(duì)測量裝置進(jìn)行編號(hào)，對(duì)各個(gè)通道數(shù)設(shè)置。并根據(jù)相對(duì)報(bào)警溫度和絕對(duì)報(bào)警溫度來設(shè)置需要報(bào)警的溫度值。

圖6 測溫監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行界面

6 結(jié)束語

干式串聯(lián)空心電抗器是電力電網(wǎng)中經(jīng)常采用的電抗器，在電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，起到限制短路電流、使母線上的電壓波動(dòng)較小，保證了非故障線路上的用戶電氣設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是這種情況下將引起電抗器的發(fā)熱。另外，由于目前設(shè)計(jì)和工藝上的局限，存在多個(gè)串聯(lián)包封電流密度不均勻，造成局部過熱問題。電抗器的工作特點(diǎn)和工藝條件限制，要求對(duì)其進(jìn)行溫度的監(jiān)測。本文的熒光式光纖測溫方案具有絕緣，耐壓，抗干擾，纖細(xì)、安裝使用方便等特點(diǎn)。通過光纖作為信號(hào)傳輸媒介，可實(shí)現(xiàn)測溫點(diǎn)與儀表完全電氣隔離，是一種全新概念的溫度檢測傳感器。相較于目前使用的其他幾種測溫方式具有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的測溫系統(tǒng)已經(jīng)獲得在220kV 高壓干式空心電抗器上成功應(yīng)用，并且具有一定的推廣價(jià)值。