基于光纤测温的高压干式电抗器测温系统

(福建电力职业技术学院,福建 泉州 350503)

1 引言

干式串联空心电抗器由于无油、维护量小，越来越多应用于城乡建设中。随着我国经济的迅速发展，电力需求日益增加，出现了大量的长距离、大容量输电的情况，同时电力用户对供电的质量要求越来越高，使得电力系统对220kV串联联电抗器的需求量也越来越大，对电抗器的要求也越来越高。串联电抗器在电力系统运行过程中因为大电流会在线圈上消耗功率，引起线圈发热甚至烧坏。为了提高电网的电压质量，并保证电抗器长时间运行可靠、稳定，需要采取相应的措施对电抗器的温度和温升进行实时监测和监控[1]。

由于电抗器的工作电压等级高，常规的测温手段不能满足要求。目前高压电抗器测温有以下三种方式：电抗器上加装无线测温装置、红外远距离测温装置和光纤测温装置。加装无线测温装置存在供电不稳定、维护困难问题，因加装无线测温装置不正确还有过导致电抗器故障的案例。红外测温虽方便安全，但是只能测量电抗器的表面温度，且较难做到在线测量。因此，近年来，随着光纤测温技术的发展，光纤测温装置以其高耐压、高绝缘、无火花、耐腐蚀等特点，得到了越来越多的应用。为促进光纤传感技术应用于变电设备运行温度的实时、在线、直接测量，国家电网公司于2016年9月要求对10kV～500kV电抗器主要变电设备(暂不包括充气绝缘设备)采用光纤温度在线监测装置[2]。本文以实际案例介绍了荧光式光纤温度测量系统在220kV高压串联电抗器的应用和设计。

2 荧光式光纤传感器机理

荧光寿命式光纤温度传感器的感温元件为荧光材料，置于传感头顶端，通过光纤与激励光源、光电探测器等器件相连。荧光材料受到特定波长的激励光激励，其内部的电子吸收了光子能量，从基态低能级跃迁到激发态高能级，而当电子从高能级跃迁回到低能级时，将会受激辐射出荧光[3]。当激励光消失后，荧光强度以类指数方式衰减。荧光的持续时间与衰减特点取决于激发的状态，与荧光物质特性有关。衰减的时间常数称之为荧光寿命，特定环境温度下荧光寿命具有特定值，即荧光寿命与温度具有确定关系，温度升高荧光寿命单调性下降。因此通过测量荧光寿命再根据关系式换算就可以得到所测温度。激发光和荧光余辉衰减曲线如图1所示。

图1 荧光余辉强度变化图

荧光余辉的持续时间依赖于激发态的寿命(该寿命称为荧光寿命或荧光衰落时间)，其表达式为[4]：

其中I(t)-荧光信号的强度；I0-时间为0时即激励光激发荧光材料之后的荧光信号的强度；τ-荧光寿命，是荧光信号从I0衰减为I0/e时的时间，它仅与温度直接相关，为温度的函数；t-测量时间；ε(t)-各种噪声总和。

荧光寿命τ与温度有确定的关系，不同温度的荧光寿命不同，并且为荧光材料的内在固有特性。荧光寿命检测方法有时域法和光强阈值法等，测量荧光强度从激励光消失时下降到I0/e的时间即荧光寿命，该方法设计简单容易在嵌入式的计算机系统中实现。此外还有积分比值法：通过测量2个时间点的荧光信号积分与干扰信号的差值之比计算荧光寿命；数据拟合法：对荧光信号取对数，曲线变成直线，再采样进行数据拟合，完整还原荧光衰减曲线，进而求出荧光寿命；递归算法：使用L-M递归算法分析荧光衰减曲线等其他方法。

在对采样数据处理的算法上，可以采用频域法、快速傅里叶变换法等，使用数字信号技术处理荧光衰减波形。这类算法速度快，精度高，不受本底噪声影响。根据荧光式光纤传感器的测温机理，可以设计出适合于高压电抗器的荧光式光纤测温装置，并进而设计出温度监控系统。

与其他光纤温度传感器如分布式、光纤光栅式等相比，荧光式光纤传感器可以实现低成本的单点测温。因为测量的温度量仅与荧光寿命有关，与光强无关，这种突出的特点可以避免因光路安装、长时间工作后电路信号强弱变化而带来的测量误差。此外，由于感温荧光材料是稀土元素无机材料，配套使用石英光纤后可以实现高达450℃的测温和工业级的测量精度[5]。

3 荧光式光纤测温装置

荧光式光纤测温装置结构原理如图2所示，温度解析仪器的光纤模块发出激发光，激发光通过多模光纤传导到感温探头末端。末端的稀土材料受激发后产生荧光，荧光反射光回传至光纤模块。光纤模块解析出反射光中的温度信息，由温度解析仪器处理通过人机交互界面显示，并通过光纤通信传输至后台终端，后台终端根据温度信息，控制不同的功能模块输出相应的保护或报警信号。温度与荧光寿命关系为荧光材料固有内在特性，不受外界环境因素干扰，因此具有较高的测量精度。

图2 光纤测温装置结构原理

根据上述原理，荧光式光纤测温装置基本原理框图如图3所示。由激励光信号模块、光传输耦合模块、传感探头部分、信号调理电路和温度信号处理模块等5个部分组成。温度解析仪器的激励光信号模块发出周期性的矩形脉冲激励光。光纤传输激励光到传感头激励荧光材料，荧光材料受激励后发出荧光由光纤传回到到光纤模块。在温度解析仪器内通过滤光片滤光取出所要波长段的荧光并聚焦照射到光电探测器件，光电探测器件将荧光转换为光电流信号。微弱信号经过滤波电路滤除噪声后被放大电路变成较大幅值的信号，通过采样成为数字信号。再由荧光寿命检测单元计算出荧光寿命，经过信号处理依据温度和荧光寿命的关系得温度，最后加以显示输出。整个系统由单片机进行控制。并与上位机进行通信输出并显示测温结果。整个系统运行由单片机进行控制与调整。

图3 光纤测温装置原理框图

另外在激励光源的选择上，由于LED具有寿命长、光效高、辐射低、功耗小、工作电压低、体积小、质量轻、价格便宜等诸多优点，激励光源通常采用LED。如果在LED的半导体材质中掺杂不同的稀土元素可使LED发射不同波长的激发光，可以很好地兼容其他光路部分。

针对高压电抗器的应用特点和环境，荧光式光纤测温装置遵循如下设计原则。

防尘、防雨淋、散热。为了保证测温装置安装在户外能良好的运行稳定，采用密封性箱子外罩，并在传输引线都采用橡胶片防尘设计。箱子上方打小孔散热，并设计屋檐式盖板，在风吹雨打过程中保证测温装置的稳定运行。

高可靠稳定性。在整个电力电网运行过程中辐射出来的电磁场，对测温装置产生的电场、磁场干扰，测温装置整体设计具有极强抗扰度能力。采用密封箱罩住，隔断电场、磁场对测温装置的干扰。采用光纤通信方式进行数据远方传输，隔离了电磁场的干扰，提高了测温装置在整个系统的高可靠稳定性。

经济效益性。220kV 高压电抗器在电力电网中起到至关重要的角色。为了保证整个电力电网供电系统稳定，减少故障率，避免串联电抗器在电网运行过程中温升过高，使得电抗器一旦发生爆裂与火灾事故将引起巨大的经济损失。采用测温装置系统起到相应的预防措施避免此类事故。

人性化设计。测温装置采用大屏LCD液晶屏幕，数字与中文显示。微触按键操作、LED信号指示显示灯人性化设计等。

综上所述，测温装置能达到以下技术参数：工作电源：AC220V (-15%～+15%)；工作频率：50Hz或60Hz(±2Hz)；测温范围：-30.0℃～240.0℃；测量精度：±1 %FS；安装方式：户外安装；光纤光缆：30m；温度补偿范围：-19.9℃～+19.9℃；测温路数：12路；工作环境：-40℃～+55℃。

4 高压电抗器测温系统的集成

本设计采用荧光式光纤测温装置(以下称测温装置)，可以实现高压串联电抗器的多路在线测温。系统由多路光纤测温探头、光纤光缆、温度解析仪器、温控器仪表、人机交互界面和光纤通信模块组成。测温装置针对电力系统中串联电抗器运行的本体温度测量，根据本体温度的不同输出相应的功能：超温报警、超温跳闸等人机交互信息并通过光纤通信传至后台系统。系统在根据相应的功能信息开启防护措施。通过上述方案实现220kV电抗器测温系统形成数据采集、智能控制、光纤通信、远距离数据传输和实时监控的系统。

高压电抗器测温系统的组网由多个多通道测温装置组成，可同时检测多个独立的温度点，用一条通讯电缆可将多路测温点连接到PC机进行测控。多个测温装置的RS485通讯端口并联工作，组成温度SCADA系统，如图4所示。

每套多路测温装置负责一相线圈的温度测量，每相线圈在空间上分布着12个测温点。多路测温装置的主要功能有：(1)提供12路光纤传感器测温；各测温通道显示值数字补偿功能；LCD液晶显示、LED显示灯、带操作键盘。(2)提供黑匣子功能，能记录测温装置断电前的温度数据及历史最高温度值。(3)提供光纤通信传至后台系统；报文含超温报警、超温跳闸、测温装置故障等报文；报文格式采用国际通用MODBUS-RTU标准协议。

图5为高压电抗器测温系统现场安装图。现场的三套高压电抗器呈“品”字型布置，电抗器高度9m，电抗器间距8m。按照电抗器外形尺寸和布局尺寸。设计光纤传感器长度为30m，并预留了光纤电缆的长度设计。光纤传感器在布线过程中采用线管穿过。预埋探头位置在距离电抗器上端大概30～40cm的部位安装，采用高温胶黏住。测温装置采用落地式安装，采用四脚支架固定在地面上，然后在把测温装置固定在支架上。光纤传感器、光纤通信接口、电源线接入测温装置中。

图4 高压电抗器测温系统的集成

图5 高压电抗器测温系统安装图

由于光纤测温具有柔韧性好、弯曲度大、结构简单、体积小，重量轻等特点，可以到达高压电抗器内部的特殊空间或特定区域，适应其复杂安装环境。另外，光纤本身具有极好的绝缘性能(耐高压可达100kV以上)，具有很强的耐受和抗干扰能力，而且传感头中无金属部件、没有电信号、防燃防爆、耐化学腐蚀、不怕水、不怕油，能适应高电压、强磁场和强辐射的高压电抗器运行环境，易于安装和使用[6]。

测温系统安装步骤如下：(1)将光纤测温探头固定在物体温度被测点;(2)将光纤另一端接多路测温装置的光纤接口中;(3)多路测温装置的通信端子并联，通过通信适配器连接到PC机;(4)多路测温装置的电源端子并联接直流24V电源;(5)多路测温装置上电数秒钟后，模块顶部指示灯亮，系统开始工作;(6)开启PC机电源，运行荧光式光纤测温系统温度监测软件。通过操作界面设置，PC机可以开始进行监控。

5 监测系统和运行效果

荧光式光纤测温监测系统采用当今流行的Labview语言编程。系统基本主界面实现三通道测量分别对应A、B、C三相线圈，用户可根据需求定制扩展通道数。温度监测软件通过串口方式与多路测温装置(下位机)通讯，实时显示、记录并监控三个通道的测温结果，具有数据记录、高温报警和通讯故障自检等功能。系统性能可靠稳定，并具有使用方便、响应快速和界面友好等优点。系统的界面与设置如下图：

主要功能特点有:(1)安装方便，操作简单，适用于win2000及以上系统；(2)使用USB通用接口，可转换成RS232/RS485，方便SCADA系统组网；(3)标准MODBUS通讯协议，16位CRC校验，可靠性高；(4)各通道曲线特性、报警温度与采集时间可由用户根据使用要求自行设置；(5)以数据库方式保存数据，支持导出数据至excel文件的功能，实现历史数据查询；(6)可通过温度曲线与温度表格两种方式查看当前或历史数据；(7)功能强大的显示界面，支持局部曲线横向、纵向放大、全屏显示等功能，便于分析。

该软件可以设置光纤测温装置的个数，可以设置光纤测温装置的测温通道数量。界面实时显示光纤测温装置的所有通道温度数据曲线或者温度列表。一个测温装置对应一个曲线框。该软件能存储每个通道1个月的测量数据，以便于查看分析。界面还能显示超温报警状态，并可以导出超温报警的历史记录。在使用该监测软件时，可以对测量装置进行编号，对各个通道数设置。并根据相对报警温度和绝对报警温度来设置需要报警的温度值。

图6 测温监测系统运行界面

6 结束语

干式串联空心电抗器是电力电网中经常采用的电抗器，在电力系统发生短路时，起到限制短路电流、使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性。但是这种情况下将引起电抗器的发热。另外，由于目前设计和工艺上的局限，存在多个串联包封电流密度不均匀，造成局部过热问题。电抗器的工作特点和工艺条件限制，要求对其进行温度的监测。本文的荧光式光纤测温方案具有绝缘，耐压，抗干扰，纤细、安装使用方便等特点。通过光纤作为信号传输媒介，可实现测温点与仪表完全电气隔离，是一种全新概念的温度检测传感器。相较于目前使用的其他几种测温方式具有的独特的优点。本文介绍的测温系统已经获得在220kV 高压干式空心电抗器上成功应用，并且具有一定的推广价值。