荧光光纤测温火灾监控系统在高压开关柜中的应用

洪卫栋

(榆林市消防支队，陕西 榆林　719000)



荧光光纤测温火灾监控系统在高压开关柜中的应用

洪卫栋

(榆林市消防支队，陕西 榆林719000)

介绍了目前高压开关柜火灾预警的主要方法及其优缺点，提出了一种基于荧光光纤测温的火灾监控系统，对该系统的工作原理、系统组成进行了详细阐述，设计了其在高压开关柜的安装方式，并分析了该系统的技术优势和应用前景。

火灾监控；高压开关柜；荧光光纤；温度传感器；在线测温

0　引言

随着国民经济的不断发展，电力行业进入了高速发展的时代，与之相对应的电力系统设备安全稳定运行也显得尤为重要。高压开关柜作为发电厂、变电站中的重要设备，承担着开关电力线路、线路故障保护、监测运行电量数据等重要作用[1]。在长期运行过程中，高压开关柜内发热部位的温度无法实时监测，由此最终导致火灾事故的发生和大面积停电[2]。因此，及时发现开关柜过热问题，是杜绝此类事故发生的关键。

1　高压开关柜测温现状

高压开关柜温度变化是一个渐变过程，如果在温度异常变化没有对高压开关柜的运行造成影响前，能够及时发现并正确处置，就会避免由于高压开关柜发热而引起的停电甚至火灾事故。可见，高压开关柜的温度实时监测非常重要，目前针对开关柜的测温方案有以下三种：

1.1红外测温

红外测温仪由人工操作，使用比较灵活，现已成为高压电力设备温度检测的一个重要手段[3]。但是红外测温仪体积较大，而开关柜内空间狭小，无法安装红外测温探头；其制作成本高，精度一般(与距离有关)，无法实现在线实时监测；红外测温为非接触式测温，由于遮挡其无法准确测量关键点处温度；其测温精度容易受环境影响，如光线强度、雾气、电磁场干扰等，所以其使用范围受到极大制约[4]。

1.2无线测温

现有的无线测温方案，主要采用电池或者CT给测温芯片供电，通过无线芯片发送测温信号[5]。这种方案虽然实现了温度信号的无线传输，但属于有源方案，电池供电需要定时更换电池，而且电池抗高温能力较差，给电力运营带来影响；采用CT取能，传感器体积大，布放的位置对取能效率影响较大，缺乏普遍适应性，且存在若接头电流较小，电能无法取出，若接头电流较大，则容易烧坏CT直至烧坏传感器，同时对参数选择要求苛刻，可靠性不高[6]。

1.3光纤测温

由于光纤传输系统绝缘强度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、体积小和结构简单，特别适合于在线测量电力系统中的温度参数。光纤式测温仪采用光纤传递信号，其温度传感器安装在带电物体的表面，测温仪与温度传感器间用光纤连接。光纤测温分为分布式光纤测温、光纤光栅和荧光光纤测温等多种方式，其中荧光光纤测温方式优势最为明显[7]，其寿命长，无需标定，探头尺寸小易于安装，美国荧光光纤测量电气设备温度的应用已经超过20年，其中不乏在500 kV变压器绕组这样要求极高的环境中使用的产品，事实证明安全可靠。

综上所述，对于发电厂、变电所的电气设备测温，荧光光纤测温技术具有明显优势。相比红外测温，可实现在线监测，精度高；相比无线测温，不受电磁干扰，体积小，寿命长。

2　荧光光纤测温火灾监控系统组成与工作原理

荧光光纤测温仪由显示仪表、温度解调仪、荧光光纤传感探头组成。如图1所示，测量点为高压开关柜的静触头。将光纤探头安装到开关柜的静触头后，温度信息通过光纤传输到解调仪被计算出来，并提供显示功能，可实现开关柜触点在线温度监测。图2为荧光光纤测温火灾监控系统示意图。

图1　荧光光纤测温系统安装示意图

图2　荧光光纤测温火灾监控系统示意图

荧光光纤测温的原理：脉冲激光通过光纤传输到传感器探头，由于温度的不同，传感器探头产生的荧光信号不同，通过光纤将荧光信号传输到接收系统，经过处理、运算，获得温度值，如图3所示。该测温方法的优点是被测目标的温度是材料发出荧光寿命的单值函数，与系统的其他变量无关。即光源强度的变化、传输损耗、光耦合效率等都不影响测量的准确性，因此相对于其他测温方法具有互换性高、稳定性好、无需标定、寿命长等优点。

图3　荧光光纤测温原理图

3　安装设计与应用

对于在开关柜触头上的安装，发热点主要位于静触头和动触头的接合部位，但此部位处于绝缘套筒的保护之下，里面的空间非常狭小。为了更准确的测量触头的发热温度，将光纤探头的尺寸设计为2.3 mm，从套筒后部沿汇流排伸入套筒内部，并设置耐高温、高绝缘的安装卡箍，可以将传感探头牢牢的固定在静触头上。用卡箍先将传感器探头固定在传感器固定槽里，然后把卡箍连同传感器探头一起卡到静触头的圆柱体上，如图4所示。安装时把卡箍安装在静触头与汇流排的接合部位，与动触头保持安全距离。在条件允许的情况下也可以在静触头上做相应的凹槽或者打洞，直接胶接的方式进行安装。

图4　探头在触头上的安装

对于在开关柜电缆接头处的安装，采用专用航空硅胶将传感器粘贴在电缆接头处后采用专用扎带捆绑固定。完成传感器的安装后，用绝缘扎带将尾纤扎在与静触头后部连接的铜排上，以防止万一传感器脱落时搭到相邻的触点上。光纤传感器的尾纤护套设计用高绝缘、耐腐蚀的聚四氟乙烯制作而成，具有高绝缘、耐腐蚀、防尘、防污染、防爬电等性能。为了不影响柜内电气分布以及日后对柜内检修，柜内尾纤要尽量沿柜体角落走线，也可以走专用的线槽或是与柜内二次线路捆扎在一起。从监控室到现场环网柜的通信光缆均走弱电桥架，并根据现场情况布设PVC管或钢管。

该荧光光纤测温系统在12 kV智能化开关进行了测试，测试时的环境温度为18.8 ℃，并与传统方式(热电偶)进行了比对测试，分别对开关柜的手车上下插头共6路温度数据进行监控和记录，测试结果如表1所示，结果表明：采用荧光光纤在线测温系统，不但能满足系统的绝缘要求，而且还能如实准确的反映关键点的温度，达到良好的性能要求[8]。

表1　测试数据

荧光光纤测温火灾监控系统具有实时监测功能，一旦开关柜监测点温度过高，其能及时识别并立即报警，给工作人员留出足够的时间采取措施降低开关柜温度，保证电力生产的正常运行，避免火灾事故的发生和大面积停电，延长开关柜使用寿命。

4　结论与展望

本文对比了几种电力设备温度监测技术，介绍了荧光光纤测温仪在开关柜的安装。实际应用表明，荧光光纤测温仪对开关柜火灾探测报警性能水平产生了质的提高。本设计研究有效克服了开关柜在运行过程中实时准确测温的困难，极大提高了应用该技术提高火灾预警、消除火灾危险的能力。同时，该荧光光纤测温火灾监控系统也可应用在其他需要实时监控温度变化的火灾危险场所，以实现火灾的实时预警，提高场所的火灾防控能力。

[1] 丁道振.基于ZigBee的高压开关柜触头温度在线监测系统研究[D].厦门:集美大学,2013.

[2] 文江林，潘晓苏，林应文.基于光纤荧光的电力设备温升在线监测系统研究[J].沈阳工业大学学报，2005,27(4):435-438.

[3] 史丽萍，陈志杰，侯运.基于红外传输的无线测温系统的设计[J].工况自动化,2010(8):23-25.

[4] 丁浩臣.远红外开关柜测温装置设计[J].电工技术，2008(9):54-55.

[5] 金振东，许篇，金峰，等.国内高压带电设备测温方式综述及分析[J].电力设备，2007,8(12):57-61.

[6] 龚贻文,谭冰,刘文.声表面波无线无源温度传感系统[J].电气技术,2010(11):101-104.

[7] 王玉田，胡俏丽，石军彦.基于荧光机理的光纤温度测量仪[J].光学学报,2010,30(3):655-659.

[8] 康利军,樊维涛,朱香平,等.荧光光纤测温技术在电力设备中的应用[J].中国电业(技术版),2014(7):23-25.

(责任编辑马龙)

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

洪卫栋(1979—)，男，江西吉安人，助理工程师。

TN253; D631.6

A

1008-2077(2016)06-0020-03