光纤测温技术在直流输电系统中的应用

高晶，刘剑，王鹏，刘汉文，王永兆(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

0 引言

位于南海文昌海域的B平台电力供应来自距离B平台40公里的A平台，A平台和B平台之间通过一套直流输电系统进行电力输送。A平台上设置有直流输电整流站，B平台设置有直流输电逆变站，整流站和逆变站之间通过±10 kV的海底电缆进行电力传输。

位于B平台的直流输电逆变站系统有24个可插拔式功率单元，其中正极、负极各一半。系统自投运以来，经常出现单元温度高停机情况。逆变功率单元有温度保护功能，在散热器上设置有两个串联的温度开关，只要有一个温度开关动作就会触发关停。但是，由于没有有效的检测手段，维护人员无法知道温度开关动作时散热片的实际温度，也就很难进一步分析导致温度高关停的原因。为了保障直流输电的安全连续运行，决定寻找新的测温技术，以实现对功率单元散热器的实时温度监测。

1 温度监测方法的选择

直流逆变功率单元后部有电抗器和400 V交流接线母排，前部有高压直流母排(±10 kV)，这些高压电导致的强电磁场限制了使用导电电缆方式测温的使用。最近的几年，光纤依靠它耐高压、带宽资源丰富、抗电磁干扰、损耗低等优点，受到电网建设者和设计者的广泛关注[1]。它本体无导电部分，不会引起附加温升，不收电磁场的干扰，且具备防污闪、配置灵活、施工便捷、稳定可靠、应用方便等特性，所以决定使用光纤测温器对功率单元进行温度监测。

光纤测温按原理不同分为三种，分布式光纤测温、光栅光纤测温、荧光光纤测温。

分布式光纤测温是利用激光在光纤中传播时的拉曼散射效应对一段光纤进行测温[2]，这种方式优点在于，单独一根光纤即时测温元件，又是数据传输载体，可以将一根数km长的光纤分成数千个段进行测温。但是每个温度点位置不精确，仅能精确到1 m内。多用于隧道防火，长距离电缆测温。由于B平台直流输电功率元件要求散热片精准位置测温，所以不适合采用分布式光纤测温。

光栅光纤测温原理如下：首先光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光刺，即反射窄带光刺与光栅结构相关，但石英光纤格栅会受温度影响发生热胀冷缩，反射光频率会改变[3]。利用此原理可以精确测量光栅处温度，同时只要光栅的反射光刺不会重叠，就可以将它们串接到一根光纤上，可以实现一根光纤测多个温度(最多40个)。而B平台直流输电功率元件是抽出单元式，需要在故障或者其它必要的情况下拆卸，如果使用光纤串接，则不方便单元更换，因此直流输电不适合采用该测温技术。

荧光光纤测温是采用荧光材料受激后荧光寿命与温度相关的原理进行测温[4]，其传感器体积小，一个光纤一个测量点，方便抽出式的安装，传送光纤绝缘，相对其它两种成本较低，非常适用于电力行业使用。荧光光纤测温的特点比较适合直流输电功率单元的使用。

基于三种光纤测温原理及使用特点的分析，最终选用荧光光纤测温系统对B平台的直流输电逆变功率模块进行温度监测。

2 光纤测温技术的实施

2.1 温度监控数据的接入位置选择

光纤测温系统安装后的相关功率单元散热器的温度监控数据需要接入人机界面实现显示，信号接入有三个方法选择。首先，可以增设专用的电脑，将监控数据接入专用电脑进行监控。但是这种方法需要额外购置电脑，为电脑提供新的位置存放，平台空间有限，同时出于降本增效的考虑，不考虑这种方法。其次，监控数据可以接入直流输电系统的本体的监控系统，但是这个监控系统是用VC编写的，为专用程序，需要直流输电公司专业工程师修改调试程序才能实现。由于厂家工程师人员协调较为困难，且人员劳务费用较高，因此不考虑这种接入方法。最后，监控数据可以接入位于B平台中央控制室(以下简称“中控室”)的监控触摸屏，触摸屏的组态较为简单，修改也很方便，只需要在原有系统上进行升级即可。经过综合考虑，最终确定温度监控数据接入位于B平台中央控制室的监控触摸屏。

2.2 设备选择

经过筛选，选择HQ-28荧光光纤测温模块和LumaProbe SP荧光光纤温度传感探针作为该套光纤测温技术的基础原件。考虑到模块所需的电源线以及模块信号传送至中控系统所需要的通信电缆，该套测温系统所需要的相关原件及材料如表1所示。

表1 相关原件及材料

2.3 系统构架

24根光纤将24个功率单元的散热器温度传送至测温模块，每个测温模块有8个测温回路，使用其中6个，另外作为备用。测温模块将温度通过485通讯线将温度信号传送至位于中控室的触摸屏。触摸屏的软件负责显示24个功率单元的实时温度并进行记录，同时根据温度上涨情况，根据温度上涨情况反馈至直流输电空调的PLC模块，实现功率单元箱内部的温度控制反馈。具体构架图如图1所示。

图1 测温装置构架图

2.4 人机界面组态

中控室触摸屏的人机界面主要负责显示24个功率单元散热器实时温度，每个温度模块显示6个功率单元的温度，如图2所示。由于系统具备对温度进行记录的功能，人机界面还包括历史温度查询页面，可以随时查询存档的历史数值如图3所示。

图2 6个功率单元的温度

图3 存档的历史数值

2.5 光纤测温技术拓展

光线测温技术在直流输电系统中现温度实时显示监控的功能之外，还以进一步发掘光纤温度监测所记录的数据价值。通过这些数据的分析，可以总结温度与负荷的对应关系，实现预知维修，提前预警，防患未然，避免潜在安全隐患和事故的作用。通过所有功率单元之间温度的比对，可以进一步分析找到通风不良的部位，再通过通风风道的改善，改善系统散热能力，彻底解决温度高关停问题。

3 结语

光纤测温技术在文昌海域B平台直流输电系统的应用，让平台人员实现了中控室对直流输电系统功率单元的实时温度监控，及时预知潜在的散热器故障，并预判直流输电系统潜在的空调控制故障，极大的提高了设备稳定性。为海洋石油及其他相关电力行业温度监控问题提供了较好的解决方案和相关经验。