CN203479425U - 基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统，属于电力设备监测技术领域，系统主要包括变电站控制室、监控主机、单模光缆、光纤光栅信号解调仪、光纤光栅传感网络分析仪、光缆终端盒等，本实用新型基于光纤光栅测温技术的高压电力设备温度实时监测系统是针对电力系统高压、强电磁干扰的特点开发的，采用先进的光纤光栅温度传感技术，具有耐高压、不受电磁干扰、本质安全、长期可靠、体积小、易扩展等优点，适用于对发电及供电系统的发电机、高压开关柜、环网柜等监测点的温度进行实时在线监测。

Description

基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统

技术领域

本发明属于电力设备监测技术领域，特别涉及一种基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统。 

背景技术

在强电磁环境中，关键基础用电设备的安全运行是企业生产的必要保障，也是整个国民经济正常运转的基本保证。电气设备产生的故障的大部分原因是设备过热引起的，主要可以分为外部热故障和内部热故障。 

电气设备的外部热故障主要指裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高，接触点氧化引起接触电阻增大，恶性循环造成隐患。此类故障占外部故障的90%以上。统计近几年来检测到的外部热故障的几千个数据，可以发现线夹和刀闸触头的热故障占整个外部热故障的77%，它们的平均温升约在30度左右，其它外部接头的平均温升在20-25°之间。 

高压电气设备内部热故障的特点是故障点密封在绝缘材料或金属外壳中，如电缆，内部热故障一般都发热时间长而且较稳定，与故障点周围导体或绝缘材料发生热量传递，使局部温度升高，因此可以通过检测其周围材料的温升来诊断高压电气设备（如电缆）的内部故障。 

根据对电力事故的分析，电缆故障引起的火灾导致大面积电缆烧损，造成被迫停机，短时间无法恢复生产，造成重大经济损失。通过事故分析，引起电缆沟内火灾发生的直接原因是电缆中间头制作质量不良，压接头不紧、接触电阻过大，长期运行所造成的电缆头过热烧穿绝缘，最后导致电缆沟内火灾的发生。 

长期以来，一次设备的温度很难实时监测，这是因为一次设备空间有限，但元件较多，且高压带电元件大多裸露，常规的温度测量方法无法使用。普通的温度监测方法主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现的，这种方法要么传感器本身带有金属，要么需要金属导线传输信号，在 紧凑的一次设备内，要实现系统可靠的绝缘困难重重。 

近年来随着社会用电量的增长，各类用电负荷高开考走，因一次设备过热引起的断路、短路、损坏，乃至爆炸引发重大火灾事故的案例屡见不鲜。引起火灾发生的直接原因是一般是制作质量不良，接触电阻过大，在大电流作用下，接头温度升高，接触电阻增大，恶性循环造成隐患，因此，一次设备工作状态是系统安全运行的一个十分重要的因素。从设备过热到火灾事故的发生，其发展速度缓慢、时间较长，据此特点，对一次设备进行温度监测是预防和减少设备故障的简便有效的重要措施。目前，国内外常用的一次设备温度检测方法有：热敏电阻式测温系统、离子感温式在线监测系统和线型光纤感温火灾探测报警系统。 

(1)热敏电阻式测温系统 

该系统具有响应时间短，信号输出大、灵敏度高温度值可显示等特点。但热敏电阻的一致性较差，基本没有互换性，每个热敏电阻都需要独立的接线、布线既复杂热敏电阻又易损坏，维护量大；传感器不具备自检功能，需要经常校验。 

(2)离子感温在线监测系统 

该系统主要依靠先进的通信技术，微处理器技术、数字化温度传感技术及离子感烟技术，实现连续、实时监测电缆接头的温度变化，准确预报设备故障，并通过计算机模拟的界面图，显示设备走向模拟图，显示传感所监测的实际位置及所有设备型号、长度、截面、位置等参数，当运行中的设备出现异常时，自动显示画面及事故报警，根据计算机模拟的界面图能迅速准确地判断出设备发生故障的实际位置，为设备的安全运行提供可靠的保障。 

(3)分布式光纤感温探测系统 

系统采用特种感温光缆作探测器，具有防燃、防爆、防腐蚀、耐高温、抗电磁干扰等优点，它利用激光在光纤中传输时产生的背向拉曼散射温度效应和光纤的光时域反射原理实现探测器分布空间温度场实时快速监测。它是目前世界上最先进、最有效的连续分布式温度监测系统，通过适宜的安装，它可以连续监测长达30km区域内各种一次设备元件的温度变化情况，测量精度高，响应 速度快，清晰显示任何设备的温度趋势。在温度超出预定范围并回落时具备可重复使用的特性，特别适用于电缆隧道内电缆温度的检测。 

本发明采用的光纤光栅测温技术 

基于光纤光栅测温技术的高压电力设备温度实时监测系统是针对电力系统高压、强电磁干扰的特点开发的，采用先进的光纤光栅温度传感技术，具有耐高压、不受电磁干扰、本质安全、长期可靠、体积小、易扩展等优点，适用于对发电及供电系统的发电机、高压开关柜、环网柜等监测点的温度进行实时在线监测。 

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种耐高压、不受电磁干扰、本质安全、长期可靠、体积小、易扩展等特点的基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统。 

为了解决上述技术问题，本发明是这样设计的：系统包括变电站控制室、监控主机、单模光缆、光纤光栅信号解调仪、光纤光栅传感网络分析仪、光缆终端盒；所述变电站控制室包括高压开关柜、光纤分路器、光纤光栅温度传感器，其中光纤光栅温度传感器布置在高压开关柜内，光纤光栅传感器与单模光缆通过光纤分路器连接；其中光缆终端盒通过单模光缆与变电站控制室内的高压开关柜连接，所述光缆终端盒与光缆终端盒之间通过单模光缆连接，并通过单模光缆与光纤光栅信号解调仪连接，最终通过光纤光栅信号解调仪将信号传输给监控主机。 

所述光纤光栅传感网络分析仪内部发光源发出连续的宽带光，经单模光缆传输到监测现场布设的光纤光栅温度传感器。 

所述的单模光缆采用16芯电力用传输光缆，将单模光缆敷设在地下电缆沟内，通过两个光缆终端盒将光学扩展模块与高压开关柜内的光学分路器连接。 

所述开关柜内设9个光纤光栅温度传感器。 

所述开关柜中设置有母线室，母线室侧部设置有铜基座，将铜基座用胶固定在待测点上，将光纤光栅温度传感器固定铜基座上面。 

所述的光纤光栅温度传感器设备有传感器尾纤，并且缠绕光纤长度≥24cm。 

本发明具有如下有益效果： 

●多点温度实时在线监测； 

●用光纤光栅感知温度信息，本质安全，绝缘性能强； 

●温度信息通过光信号传输，不受电磁干扰，防潮湿； 

●接触式测温，精确度高，响应快，定位准确； 

●光纤传输温度信号，传输距离长，损耗极小； 

●系统运行稳定、可靠，容易扩展。 

综上所述，本发明基于光纤光栅测温技术的高压电力设备温度实时监测系统是针对电力系统高压、强电磁干扰的特点开发的，采用先进的光纤光栅温度传感技术，具有耐高压、不受电磁干扰、本质安全、长期可靠、体积小、易扩展等优点，适用于对发电及供电系统的发电机、高压开关柜、环网柜等监测点的温度进行实时在线监测。 

附图说明

下面结合附图说明与具体实施方式对本发明做进一步说明： 

图1为本实用新型光纤光栅温度传感器与光学分路器、传输光缆连接示意图。 

图2为本实用新型整体结构框图。 

图3为本实用新型信号传输光缆布线结构框图。 

图4为本实用新型光纤光栅温度传感器的固定结构示意图的侧视图。 

图5为本实用新型光纤光栅温度传感器的固定结构示意图。 

图6为本实用新型的光纤光栅温度传感器的测试数据结构表图。 

图7为本实用新型的光纤光栅温度传感器的光纤光栅原理示意图。 

图8为本实用新型的主开关光纤光栅温度传感器的布置结构示意图。 

其中1-光纤分路器、2-光纤光栅温度传感器、3-单模光缆、4-铜基座、5-待测点、6-传感器尾纤。 

具体实施方式

如图所示，系统包括变电站控制室、监控主机、单模光缆、光纤光栅信号解调仪、光纤光栅传感网络分析仪、光缆终端盒；所述变电站控制室包括高压 开关柜、光纤分路器1、光纤光栅温度传感器2，其中光纤光栅温度传感器布置在高压开关柜内，光纤光栅传感器与单模光缆3通过光纤分路器连接；其中光缆终端盒通过单模光缆与变电站控制室内的高压开关柜连接，所述光缆终端盒与光缆终端盒之间通过单模光缆连接，并通过单模光缆与光纤光栅信号解调仪连接，最终通过光纤光栅信号解调仪将信号传输给监控主机。 

所述光纤光栅传感网络分析仪内部发光源发出连续的宽带光，经单模光缆传输到监测现场布设的光纤光栅温度传感器。 

所述的单模光缆采用16芯电力用传输光缆，将单模光缆敷设在地下电缆沟内，通过两个光缆终端盒将光学扩展模块与高压开关柜内的光学分路器连接。 

所述开关柜内设9个光纤光栅温度传感器。 

所述开关柜中设置有母线室，母线室侧部设置有铜基座，将铜基座用胶固定在待测点5上，将光纤光栅温度传感器固定铜基座4上面。 

所述的光纤光栅温度传感器设备有传感器尾纤6，并且缠绕光纤长度≥24cm。 

光纤光栅测温系统由光纤光栅温度传感器、单模光缆（用于远距离信号传输）、光纤光栅传感网络分析仪及计算机等终端监测设备组成。系统工作时，光纤光栅传感网络分析仪内部发光源发出连续的宽带光，经光缆传输到监测现场布设的光纤光栅温度传感器，这些传感器内部的测量敏感元件—光纤光栅对该宽带光有选择的反射回相应的一个窄带光，经同一传输光缆返回到光纤光栅传感网络分析仪内部探测器来测定出各个传感器所返回的不同窄带光的中心波长，从而解析出各监测点的温度值。由于多个传感器所返回的窄带光信号中心波长范围不同，所以可以将这些传感器串联组网实现多点同时测量。 

系统各部分的功能描述： 

a)光纤光栅温度传感器：布置在高压开关柜内，采集温度信号。 

b)传输系统：将温度传感器信号传到控制室内的光纤光栅解调仪。 

c)光纤光栅信号解调系统：对温度信号进行解调，提供现场温度的实时信息。 

1.1传输光缆的敷设 

如图3所示，16芯电力用传输光缆敷设在地下电缆沟内，通过两个光缆终端盒将光学扩展模块与高压开关柜内的光学分路器连接。 

1.2温度传感器的安装，如图4图5所示。 

①确定温度测点具体位置。 

②对测点位置进行打磨处理，使测点位置平整、清洁，满足传感器安装要求。 

③将铜基座用胶固定在待测点上。 

④将温度传感器固定铜基座上面。 

⑤记录安装时的温度和检测点传感器波长。 

1.3主开关室温度传感器安装，如图8所示。 

1.4母线室温度传感器安装。 

1.5系统主要功能 

●显示功能：具有实时数据显示、图形显示、曲线图，用户界面更加直观。 

●分析功能：历史趋势显示，提供检修参考信息； 

●报警功能：根据实际情况设定温度预警值、报警级别、温升报警； 

●表格定制：实时数据表、历史数据及报警一览表、常用数据表等。 

●查询功能：可以采用单点或单个开关柜进行实时数据查询、历史数据查询、报警查询等。 

1.6系统特点 

●多点温度实时在线监测； 

●用光纤光栅感知温度信息，本质安全，绝缘性能强； 

●温度信息通过光信号传输，不受电磁干扰，防潮湿； 

●接触式测温，精确度高，响应快，定位准确； 

●光纤传输温度信号，传输距离长，损耗极小； 

●系统运行稳定、可靠，容易扩展。 

1.7主要技术参数 

1.8光纤光栅温度传感器原理 

用耐高压绝缘材料封装的光纤光栅温度传感器如本系统的温度采集基于光纤光栅温度传感器。 

光纤光栅（FBG）是一种反射式光纤滤波器件，通常采用紫外线干涉条纹照射一段10mm长的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，在布拉格波长上，在光波导内传播的前向导模会耦合到后向反射模式，形成布拉格反射。对于特定的空间折射率调制周期（Λ）和纤芯折射率（n），布拉格波长为： 

λ_B＝2nΛ      （1） 

由式(1)可以看出：n与Λ的改变均会引起反射光波长的改变。因此，通过一定 的封装设计，使能外界温度、应力和压力的变化导致n与Λ发生改变，即可使FBG达到对其敏感的目的。 

如图7所示，FBG中心波长与温度变化的关系为 

ΔλB＝λB（1＋ξ）ΔT       （2） 

式中，ΔλB是温度变化引起的反射光中心波长的改变；ΔT为温度的变化量；ξ为光纤的热光系数。在1550nm波段，FBG对温度的敏感系数分别为：10pm/℃。 

Claims (6)

1.基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统，其特征在于：包括变电站控制室、监控主机、单模光缆、光纤光栅信号解调仪、光纤光栅传感网络分析仪、光缆终端盒；所述变电站控制室包括高压开关柜、光纤分路器（1）、光纤光栅温度传感器（2），其中光纤光栅温度传感器（2）布置在高压开关柜内，光纤光栅传感器与单模光缆（3）通过光纤分路器连接；其中光缆终端盒通过单模光缆与变电站控制室内的高压开关柜连接，所述光缆终端盒与光缆终端盒之间通过单模光缆（3）连接，并通过单模光缆与光纤光栅信号解调仪连接，最终通过光纤光栅信号解调仪将信号传输给监控主机。

2.根据权利要求1所述的基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感网络分析仪内部发光源发出连续的宽带光，经单模光缆传输到监测现场布设的光纤光栅温度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统，其特征在于：所述的单模光缆（3）采用16芯电力用传输光缆，将单模光缆敷设在地下电缆沟内，通过两个光缆终端盒将光学扩展模块与高压开关柜内的光学分路器连接。

4.根据权利要求1所述的基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统，其特征在于：所述开关柜内设9个光纤光栅温度传感器。

5.根据权利要求1或4所述的基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统，其特征在于：所述开关柜中设置有母线室，母线室侧部设置有铜基座（4），将铜基座用胶固定在待测点（5）上，将光纤光栅温度传感器固定铜基座上面。

6.根据权利要求1所述的基于光纤网络的高压设备触点温度在线监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅温度传感器设置有传感器尾纤（6），并且缠绕光纤长度为≥24cm。

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