高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计

奥海莲

摘要：文章根据当前比较常用的光纤光栅结构的温度传感器，设计了能够测量高压开关柜内部的接头温度的实时监控系统。这套实时监控系统由宽带结构光源、光纤光栅式的温度传感器以及可调滤波器以及电光转换线路、传输装置和系统内部软件构成。该实时监控系统主要根据光纤光栅具有反射波长的属性以及对温度变化有很好的反应的属性，从而达到测量不同温度下的光栅反射波长变化的目的。该实时监控系统在通过数据处理后，可以实时精确地显示温度变化。该系统还可以对多个开关柜接点的温度进行精测测量，同时还具有温度报警功能，一旦温度超过预设值，即可实施报警。文章对系统进行了多项测试，对开关柜的接头温度进行了反复测试，测试误差均保持在0.2 ℃以内，稳定性和精度都达到了设计要求。本系统利用通信接口技术，与电力控制中心连接，从而可以实现对高压开关柜内接头温度的远程实时在线监控。

关键词：高压开关柜；温度；实时监测；光纤光栅温度传感器

中图分类号：TM247 文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）20-0005-02

在目前的电力系统中，高压开关柜发挥着相当重要的作用，它对电力线路以及系统安全起着开合和断开的作用，是控制整个电力系统的电力基本保障。随着我国在最近十年电力系统正朝着大机组、高容量、高电压的方向发展，越来越多的变电站都实行了无人值班和综合自动化的管理模式，这种管理模式对于高压开关柜的稳定、安全运行提出了更为严格的要求。众所周知，一旦开关柜内部的闸刀的接头或者电缆的进出线的接头出现接触不良的现象，那么接触电阻就会急剧增大，直接导致负载电流在经过时出现过热现象，这将直接导致开关柜内金属材料的机械强度大幅降低，甚至因为开关柜内的绝缘材料快速老化而发生电流击穿的事故。针对上述现象，就需要有针对性的改进方案，在线能够检测开关柜的接头温度就是预防出现不必要事故的解决方案。这套监控系统对于提高高压开关柜的安全性和稳定性、保证电力系统正常运行都有着重要的作用。

因为传统的高压开关接头设计是在高电压、大电流、强磁场的工作环境下工作的，因此，普通的测量方法并不能很好的对开关接头的温度进行测量。而目前温度测量的方式主要有三种，分别是贴色片法、光纤测量法以及红外测量法。贴色片法的原理是根据色片表面的色泽随着温度的变化而发生改变进行测量。但是这种测量方法的缺点是准确性相对较差，并且稳定性也有一定局限。更为重要的是，贴色片测量法无法对封闭的开关柜接点进行测量。光纤测量法的原理是利用光纤作为温度测量器，通过温度变化透过光纤的光纤强弱来测量温度。这种测量法也有很大的局限，对于光源发射端和接收端的技术和稳定性要求都很严格，并且光纤测量法测量速度较慢，空间分辨率较低。而光纤测量还有一种方式，是利用半导体温度传感器当作测试探头，而光纤只作为传光的介质，这种测量方式将测温点和光调制器设计成一体化结构，这样的好处是减少了开关柜的空间，但是这也给开关柜带来了一定的安全隐患，同时需要外加工作电源，一旦进行电源更换，就必须停电，这样就会影响系统的正常运行。目前我国常用的测量法主要是红外辐射测量法。这种测量法是将被测目标的温度变化对应红外辐射变化，从而来测量温度的。这种方法是一种非接触测量方式，测量人员通过红外测量仪器对开关柜的外壳进行温度测试，不过这种测量结果受环境影响较大，同时准确率不高，而且也不能检测开关柜内部的接点温度，也不能进行实时的在线测试。

本文的监测系统利用当前比较流行的光纤光栅传感器技术，配合网络通讯技术和计算机技术，设计成高压开关柜内的接头温度实时在线监测系统。优点是能够对多个开关柜进行在线实时监测，并且体积小，测量精度非常高，符合电气要求的安全防爆、抗强电磁的特征。

1监测系统的构成和工作原理

高压开关柜接头温度在线监测系统由光纤光栅传感系统、光纤光栅调试系统和光信号传输三部分组成。该系统使用光纤进行信号的输送，使用光纤光栅作为温度传感探头，而系统的信息采集和处理主要由高速、多路的光电处理主机完成，而系统的控制中心主要使用工程控制机。而系统的温度传感器光纤光栅的作用，是利用了光纤的光敏属性，通过紫外光曝光的方式将入射光纤光栅的图样输入到纤芯，而在芯内发生了折射率变化，从而就形成了空间的相位光栅，它的作用相当于窄带的反射滤波器。而宽带光源发射的光通过光纤输送到光纤光栅，而光栅就反射成窄带光。

该系统设计中光纤光栅的温度检测系统中，调试系统是本系统的核心，主要由F-P控制器组成的可调谐滤波器以及信号处理控制模块和电光探测器构成。然后利用耦合器的引导光纤光栅发射光将信号引导进入光纤F-P滤波器，这时，只有满足若干条件波长的光才能起到干涉的效果，并且产生的相干极大。而通过扫描电压的作用力使得电陶瓷PZT发生了物理伸缩运动，因此改变了滤波器的F-P腔长度，这样就能改变透过滤波器的波长。而在调谐控制电压的作用力下，导通频带可以扫描整个光栅反射光谱，当导通中心波长和光纤光栅的反射波长一致时，探测器就能以最大功率工作。而光进入电光探测器后就转成电信号，这时的电信号相当于光纤光栅发射光的中心波长，此时也正对应待测的温度。最后数据处理将温度传输到工程监控机的显示屏。

2系统中的关键问题

2.1光纤光栅温度传感器设计

高压开关柜的结构大多是封闭式的，这种工作环境的空间小、电压高、电流大，并且具有强磁干扰，而温度变化范围相当大，在-40 ℃~140 ℃之间，温度差达到了180 ℃。

要达到检测多点温度的要求，光纤光栅温度传感器的设计主要要求是：

①中心波长。通道内的光栅波长设计不一致，而且在温度变化范围内，光栅的波长变化不重叠、不交叉。

②温度范围。设计的温度上限定值在90 ℃以内，额定的温度在70 ℃以下，一旦超过70 ℃就报警，而温度没有超过70 ℃，但频繁发生异常，也会报警。

③连接。为了便于安装和维护，设计中的每个光栅和传输光纤的连接主要由法兰盘进行连接。

2.2系统的信号处理和通信功能

信号处理功能主要有电光转换功能和输出信号的接口模块来完成。信号处理主要包括温度显示、异常报警和通信。系统的接口通讯采用了RS-485标准，将开关柜的温度信息导入电力控制管理系统后，就可以实施开关柜的远程温度在线监控。

2.3系统的主要技术指标

①系统能够对所有被测点在-40 ℃~140 ℃的温度值进行实时检测。

②F-P可调滤波器的扫描频率为100 Hz，测量点的频率为0.01 s。

③系统可以实现2个以上模块的处理，每个模块都可以有多个检测通道。每个通道有多个测量点，系统可以同时实时检测多个高压开关柜。

④系统能够提供局域网接口，能够保证集成到其他的控制系统。

3传感器的安装和测试

为了便于安装和维护，传感器经过数次实验定于安装在开关柜的静触头最为科学。但因为静触头后面的绝缘体是由螺丝固定的，同时触头背后有螺杆的干扰，因此决定将传感器贴着螺杆放置，在两个螺钉之间用尖嘴钳夹紧传感器，并在传感器和螺杆之间用导热介质进行固定。而对于不能在静触点安装的部分高压柜，就需要在动触头上安装一个温度传感器，然后从触头的间缝件向外引光纤，当传感器通过固定卡安装在触头的手臂上方，再通过法兰盘将光纤和传感器进行连接。根据高压开关柜的不同情况，每个柜子需要6个监测点。同时，为了能够避免相间爬电和高压污闪，需要在每3个开关柜的底部设绝缘盒，这样的好处是开关柜的传感器互相独立，当一处出现故障时不会影响其他开关柜的正常工作，保证了系统的安全性。

为了检测温度在线系统的精确性，作者将变压器的高压开关的电压调低，从而产生大电流，这样高压开关的温度急剧增高。这时，系统和热电偶的温度计同时放在温度监测点上，在温度升温和降温过程中，每1 min记录一次测量值。通过实验可以证明，设计的温度检测系统的反应速度相当迅速，而且温度定位精确，测量误差在0.2 ℃以内。

4结语

高压开关柜内的接头温度一旦过高，就会对开关柜内的金属材料的强度和寿命带来很大影响，并且加大了出现事故的几率。而使用光纤光栅作为温度传感器，并结合计算机通讯技术设计的实时在线温度检测系统，不仅能够对多个开关柜的触头进行温度检测，并且还具有测量温度精确度高、安全可靠、抗强电磁的特点。这种检测系统可以应用在多种场合，例如冶金、石油、煤炭等易燃易爆的场合，应用范围广泛。

参考文献：

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