基于光纖測溫的高壓干式電抗器測溫系統

(福建電力職業技術學院,福建 泉州 350503)

1 引言

干式串聯空心電抗器由于無油、維護量小，越來越多應用于城鄉建設中。隨著我國經濟的迅速發展，電力需求日益增加，出現了大量的長距離、大容量輸電的情況，同時電力用戶對供電的質量要求越來越高，使得電力系統對220kV串聯聯電抗器的需求量也越來越大，對電抗器的要求也越來越高。串聯電抗器在電力系統運行過程中因為大電流會在線圈上消耗功率，引起線圈發熱甚至燒壞。為了提高電網的電壓質量，并保證電抗器長時間運行可靠、穩定，需要采取相應的措施對電抗器的溫度和溫升進行實時監測和監控[1]。

由于電抗器的工作電壓等級高，常規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定、維護困難問題，因加裝無線測溫裝置不正確還有過導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，隨著光纖測溫技術的發展，光纖測溫裝置以其高耐壓、高絕緣、無火花、耐腐蝕等特點，得到了越來越多的應用。為促進光纖傳感技術應用于變電設備運行溫度的實時、在線、直接測量，國家電網公司于2016年9月要求對10kV～500kV電抗器主要變電設備(暫不包括充氣絕緣設備)采用光纖溫度在線監測裝置[2]。本文以實際案例介紹了熒光式光纖溫度測量系統在220kV高壓串聯電抗器的應用和設計。

2 熒光式光纖傳感器機理

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光激勵，其內部的電子吸收了光子能量，從基態低能級躍遷到激發態高能級，而當電子從高能級躍遷回到低能級時，將會受激輻射出熒光[3]。當激勵光消失后，熒光強度以類指數方式衰減。熒光的持續時間與衰減特點取決于激發的狀態，與熒光物質特性有關。衰減的時間常數稱之為熒光壽命，特定環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系，溫度升高熒光壽命單調性下降。因此通過測量熒光壽命再根據關系式換算就可以得到所測溫度。激發光和熒光余輝衰減曲線如圖1所示。

圖1 熒光余輝強度變化圖

熒光余輝的持續時間依賴于激發態的壽命(該壽命稱為熒光壽命或熒光衰落時間)，其表達式為[4]：

其中I(t)-熒光信號的強度；I0-時間為0時即激勵光激發熒光材料之后的熒光信號的強度；τ-熒光壽命，是熒光信號從I0衰減為I0/e時的時間，它僅與溫度直接相關，為溫度的函數；t-測量時間；ε(t)-各種噪聲總和。

熒光壽命τ與溫度有確定的關系，不同溫度的熒光壽命不同，并且為熒光材料的內在固有特性。熒光壽命檢測方法有時域法和光強閾值法等，測量熒光強度從激勵光消失時下降到I0/e的時間即熒光壽命，該方法設計簡單容易在嵌入式的計算機系統中實現。此外還有積分比值法：通過測量2個時間點的熒光信號積分與干擾信號的差值之比計算熒光壽命；數據擬合法：對熒光信號取對數，曲線變成直線，再采樣進行數據擬合，完整還原熒光衰減曲線，進而求出熒光壽命；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。

在對采樣數據處理的算法上，可以采用頻域法、快速傅里葉變換法等，使用數字信號技術處理熒光衰減波形。這類算法速度快，精度高，不受本底噪聲影響。根據熒光式光纖傳感器的測溫機理，可以設計出適合于高壓電抗器的熒光式光纖測溫裝置，并進而設計出溫度監控系統。

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現低成本的單點測溫。因為測量的溫度量僅與熒光壽命有關，與光強無關，這種突出的特點可以避免因光路安裝、長時間工作后電路信號強弱變化而帶來的測量誤差。此外，由于感溫熒光材料是稀土元素無機材料，配套使用石英光纖后可以實現高達450℃的測溫和工業級的測量精度[5]。

3 熒光式光纖測溫裝置

熒光式光纖測溫裝置結構原理如圖2所示，溫度解析儀器的光纖模塊發出激發光，激發光通過多模光纖傳導到感溫探頭末端。末端的稀土材料受激發后產生熒光，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交互界面顯示，并通過光纖通信傳輸至后臺終端，后臺終端根據溫度信息，控制不同的功能模塊輸出相應的保護或報警信號。溫度與熒光壽命關系為熒光材料固有內在特性，不受外界環境因素干擾，因此具有較高的測量精度。

圖2 光纖測溫裝置結構原理

根據上述原理，熒光式光纖測溫裝置基本原理框圖如圖3所示。由激勵光信號模塊、光傳輸耦合模塊、傳感探頭部分、信號調理電路和溫度信號處理模塊等5個部分組成。溫度解析儀器的激勵光信號模塊發出周期性的矩形脈沖激勵光。光纖傳輸激勵光到傳感頭激勵熒光材料，熒光材料受激勵后發出熒光由光纖傳回到到光纖模塊。在溫度解析儀器內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換為光電流信號。微弱信號經過濾波電路濾除噪聲后被放大電路變成較大幅值的信號，通過采樣成為數字信號。再由熒光壽命檢測單元計算出熒光壽命，經過信號處理依據溫度和熒光壽命的關系得溫度，最后加以顯示輸出。整個系統由單片機進行控制。并與上位機進行通信輸出并顯示測溫結果。整個系統運行由單片機進行控制與調整。

圖3 光纖測溫裝置原理框圖

另外在激勵光源的選擇上，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、質量輕、價格便宜等諸多優點，激勵光源通常采用LED。如果在LED的半導體材質中摻雜不同的稀土元素可使LED發射不同波長的激發光，可以很好地兼容其他光路部分。

針對高壓電抗器的應用特點和環境，熒光式光纖測溫裝置遵循如下設計原則。

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行穩定，采用密封性箱子外罩，并在傳輸引線都采用橡膠片防塵設計。箱子上方打小孔散熱，并設計屋檐式蓋板，在風吹雨打過程中保證測溫裝置的穩定運行。

高可靠穩定性。在整個電力電網運行過程中輻射出來的電磁場，對測溫裝置產生的電場、磁場干擾，測溫裝置整體設計具有極強抗擾度能力。采用密封箱罩住，隔斷電場、磁場對測溫裝置的干擾。采用光纖通信方式進行數據遠方傳輸，隔離了電磁場的干擾，提高了測溫裝置在整個系統的高可靠穩定性。

經濟效益性。220kV 高壓電抗器在電力電網中起到至關重要的角色。為了保證整個電力電網供電系統穩定，減少故障率，避免串聯電抗器在電網運行過程中溫升過高，使得電抗器一旦發生爆裂與火災事故將引起巨大的經濟損失。采用測溫裝置系統起到相應的預防措施避免此類事故。

人性化設計。測溫裝置采用大屏LCD液晶屏幕，數字與中文顯示。微觸按鍵操作、LED信號指示顯示燈人性化設計等。

綜上所述，測溫裝置能達到以下技術參數：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；溫度補償范圍：-19.9℃～+19.9℃；測溫路數：12路；工作環境：-40℃～+55℃。

4 高壓電抗器測溫系統的集成

本設計采用熒光式光纖測溫裝置(以下稱測溫裝置)，可以實現高壓串聯電抗器的多路在線測溫。系統由多路光纖測溫探頭、光纖光纜、溫度解析儀器、溫控器儀表、人機交互界面和光纖通信模塊組成。測溫裝置針對電力系統中串聯電抗器運行的本體溫度測量，根據本體溫度的不同輸出相應的功能：超溫報警、超溫跳閘等人機交互信息并通過光纖通信傳至后臺系統。系統在根據相應的功能信息開啟防護措施。通過上述方案實現220kV電抗器測溫系統形成數據采集、智能控制、光纖通信、遠距離數據傳輸和實時監控的系統。

高壓電抗器測溫系統的組網由多個多通道測溫裝置組成，可同時檢測多個獨立的溫度點，用一條通訊電纜可將多路測溫點連接到PC機進行測控。多個測溫裝置的RS485通訊端口并聯工作，組成溫度SCADA系統，如圖4所示。

每套多路測溫裝置負責一相線圈的溫度測量，每相線圈在空間上分布著12個測溫點。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字補償功能；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據及歷史最高溫度值。(3)提供光纖通信傳至后臺系統；報文含超溫報警、超溫跳閘、測溫裝置故障等報文；報文格式采用國際通用MODBUS-RTU標準協議。

圖5為高壓電抗器測溫系統現場安裝圖?，F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。設計光纖傳感器長度為30m，并預留了光纖電纜的長度設計。光纖傳感器在布線過程中采用線管穿過。預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的集成

圖5 高壓電抗器測溫系統安裝圖

由于光纖測溫具有柔韌性好、彎曲度大、結構簡單、體積小，重量輕等特點，可以到達高壓電抗器內部的特殊空間或特定區域，適應其復雜安裝環境。另外，光纖本身具有極好的絕緣性能(耐高壓可達100kV以上)，具有很強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、防燃防爆、耐化學腐蝕、不怕水、不怕油，能適應高電壓、強磁場和強輻射的高壓電抗器運行環境，易于安裝和使用[6]。

測溫系統安裝步驟如下：(1)將光纖測溫探頭固定在物體溫度被測點;(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，通過通信適配器連接到PC機;(4)多路測溫裝置的電源端子并聯接直流24V電源;(5)多路測溫裝置上電數秒鐘后，模塊頂部指示燈亮，系統開始工作;(6)開啟PC機電源，運行熒光式光纖測溫系統溫度監測軟件。通過操作界面設置，PC機可以開始進行監控。

5 監測系統和運行效果

熒光式光纖測溫監測系統采用當今流行的Labview語言編程。系統基本主界面實現三通道測量分別對應A、B、C三相線圈，用戶可根據需求定制擴展通道數。溫度監測軟件通過串口方式與多路測溫裝置(下位機)通訊，實時顯示、記錄并監控三個通道的測溫結果，具有數據記錄、高溫報警和通訊故障自檢等功能。系統性能可靠穩定，并具有使用方便、響應快速和界面友好等優點。系統的界面與設置如下圖：

主要功能特點有:(1)安裝方便，操作簡單，適用于win2000及以上系統；(2)使用USB通用接口，可轉換成RS232/RS485，方便SCADA系統組網；(3)標準MODBUS通訊協議，16位CRC校驗，可靠性高；(4)各通道曲線特性、報警溫度與采集時間可由用戶根據使用要求自行設置；(5)以數據庫方式保存數據，支持導出數據至excel文件的功能，實現歷史數據查詢；(6)可通過溫度曲線與溫度表格兩種方式查看當前或歷史數據；(7)功能強大的顯示界面，支持局部曲線橫向、縱向放大、全屏顯示等功能，便于分析。

該軟件可以設置光纖測溫裝置的個數，可以設置光纖測溫裝置的測溫通道數量。界面實時顯示光纖測溫裝置的所有通道溫度數據曲線或者溫度列表。一個測溫裝置對應一個曲線框。該軟件能存儲每個通道1個月的測量數據，以便于查看分析。界面還能顯示超溫報警狀態，并可以導出超溫報警的歷史記錄。在使用該監測軟件時，可以對測量裝置進行編號，對各個通道數設置。并根據相對報警溫度和絕對報警溫度來設置需要報警的溫度值。

圖6 測溫監測系統運行界面

6 結束語

干式串聯空心電抗器是電力電網中經常采用的電抗器，在電力系統發生短路時，起到限制短路電流、使母線上的電壓波動較小，保證了非故障線路上的用戶電氣設備運行的穩定性。但是這種情況下將引起電抗器的發熱。另外，由于目前設計和工藝上的局限，存在多個串聯包封電流密度不均勻，造成局部過熱問題。電抗器的工作特點和工藝條件限制，要求對其進行溫度的監測。本文的熒光式光纖測溫方案具有絕緣，耐壓，抗干擾，纖細、安裝使用方便等特點。通過光纖作為信號傳輸媒介，可實現測溫點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特的優點。本文介紹的測溫系統已經獲得在220kV 高壓干式空心電抗器上成功應用，并且具有一定的推廣價值。