CN206192541U - 基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，包括：测温主机、传感光缆和分布在高压开关柜内各个监测点的多个感温探测器；所述感温探测器由光纤绕制而成；所述测温主机通过所述传感光缆串联多个所述感温探测器；所述测温主机用于产生在所述传感光缆中传输的脉冲激光，接收所述传感光缆的后向散射光，并进行处理得到监测点的温度信息和位置信息。本实用新型提供了一种基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，采用拉曼散射和光时域反射技术，可以同时监测多面高压开关柜内监测点的温度，并准确定位故障点。

Description

基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统

技术领域

本实用新型涉及光纤测温技术领域，具体涉及一种基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统。

背景技术

电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环节，对电网电力设备进行安全运营实时监控成为必要。长期电网运行数据表明，电网电气设备故障大多是由于大电流运行、设备老化、绝缘水平下降等原因导致设备在高温条件下运行，进而引发燃烧，爆炸等严重后果所造成。发电厂、变电站的高压开关柜在长期运行过程中，开关的触点和母线连接等部位因老化导致接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度很难监测，由此最终导致事故发生。

高压开关柜是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用的电气产品，高压开关柜工作电压等级在3.6kV～550kV。高压开关柜为金属封闭开关设备，在正常工作时，不允许打开金属封闭门，所有电气连接点均位于高压开关柜中。由于开关柜内部工作电压高，且正常使用中不能随意断电，所以安装于高压开关柜内部的测温系统，需要更高的电气绝缘性，日常使用中的应减少维护量。

封闭式柜体在运行中不能打开，因此难以测量运行中柜内接(触)头的实际温度，如不及时发现并处理接(触)头过热性缺陷，严重威胁电力安全生产。当负荷较大时存在隐患的接(触)头就会严重发热。由于发热点在密封柜内，运行中的柜门禁止打开，值班人员无法通过正常的监视手段发现发热缺陷。一旦触头发热严重必然造成事故发生，影响系统安全运行。

因此，高压开关柜加装安全、实时、少维护、全方位测温系统既是设备自身标准，也是符合实际用户需求，同时，也是智能电网的发展方向之一。

目前，用于开关设备的测温技术主要有以下方法：红外测温技术、有源无线测温技术、光纤光栅传感测温技术。

(1)红外测温技术：红外线测温技术是通过吸收红外线辐射能量，测量出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备的发热情况。该方法只可测量在传感器直视范围内的测量点温度，无法适用于针对开关柜内部的断路器触头温升的测量。

(2)有源无线测温技术：有源无线测温技术的原理是通过单片带微处理器的传感器将被测设备温度信号转换成数字信号，再通过无线发射模块传递至接收器，接收器处理后将采集到的温度信息上传到后台显示系统，该方法也是目前高压开关柜实时测温的主要方法。该技术结构简单、小巧，可安装于任何位置，但该技术必须采用电池供电或CT取电，无法做到高低压分离。电池供电方式需要定期更换电池，并且电池自身存在爆炸风险，维护量大；CT取电对电流大小有要求，电流波动大对测量精度影响较大，CT取电方式存在安装难度大的缺点。

(3)光纤光栅测温技术：光纤光栅周围的温度发生变化时,将导致光栅周期或者纤芯折射率产生变化，从而产生光栅布喇格信号的波长位移Δλ,通过监测布喇格波长的变化情况，即可获得光纤光栅周围温度的变化状况。但由于光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制，每颗光栅的封装工艺将导致安装不易，受动静触电撞击光栅器件易损，装置工艺成本较贵，经济性差等问题。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，采用拉曼散射和光时域反射技术，可以同时监测多面高压开关柜内监测点的温度，并准确定位故障点。

本实用新型提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，包括：测温主机、传感光缆和分布在高压开关柜内各个监测点的多个感温探测器；所述感温探测器由光纤绕制而成；所述测温主机通过所述传感光缆串联多个所述感温探测器；所述测温主机用于产生在所述传感光缆中传输的脉冲激光，接收所述传感光缆的后向散射光，并进行处理得到监测点的温度信息和位置信息。

本实用新型提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，采用拉曼散射和光时域反射技术，可以同时实现温度和距离的测定，采用光纤制成的感温探测器结构简单、耐腐蚀、尺寸小巧，能够灵活地安装在高压开关柜内各个监测点，定点测量小范围内的温度变化，测量精度高且不受高压电磁干扰影响。

优选地，所述感温探测器外部设有保护套，所述保护套采用耐高温、导热快的材料制成。

优选地，所述保护套的材料为聚四氟乙烯。

优选地，所述传感光缆和所述感温探测器中的光纤均采用感温多模光纤。

优选地，所述传感光缆的保护层采用聚四氟乙烯材料。

优选地，所述传感光缆的保护层外部设有外护套，所述外护套采用低烟无卤阻燃材料。

优选地，还包括设置在所述高压开关柜内的光纤分线盒，所述传感光缆经所述光纤分线盒分出多路感温光纤，多路所述感温光纤串联，一路所述感温光纤与一个所述感温探测器连接。

优选地，还包括光缆分线盒和多芯传导光缆，所述测温主机通过所述多芯传导光缆与所述光缆分线盒连接，所述光缆分线盒分出多路传感光缆至不同区域的高压开关柜。

优选地，还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块与所述测温主机连接，所述测温主机通过所述网络通讯模块将监测的数据上传至供电局的监控计算机。

本实用新型提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统相比传统的高压开关柜监测系统具有以下优势：

(1)采用光纤制成的感温探测器结构简单、耐腐蚀、尺寸小巧，能够灵活地安装在高压开关柜内各个监测点，定点测量小范围内的温度变化，测量精度高且不受高压电磁干扰影响。

(2)采用光纤的光时域反射原理以及光纤的后向喇曼散射温度效应，多个高压开关柜内的多个触头在单个通道里完成测量，最大程度的增加了测量容量，大大提高了监测效率。

(3)整个系统结构简单可靠，核心传感及通信只用一芯光纤，无任何中继运算与传输的器件。光缆使用寿面长，光缆出厂质保10年以上；报警后，只需系统软件复位，无损光缆，系统维护简单，柜内测量器件属绝缘非导电材质，不怕高压位击穿，无任何带电设施，安全性高。

(4)报警方式丰富，阈值报警、温差报警、温升速率报警；系统若干秒，完成上百面柜各触点温度读取，能够实现故障预警分析；常年数据备份，报警前后数据详尽，客户端调用及时可靠，展示分析能力多样。

附图说明

图1为本实施例提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统的测温拓扑图；

图2为本实施例提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统在高压开关柜内的分布图的正面示意图；

图3为本实施例提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统在高压开关柜内的分布图的侧面示意图；

图4为本实施例提供的光纤分线盒与传感光纤、感温探测器的连接示意图。

附图标记：

1-测温主机；2-传感光缆；3-感温探测器；4-光缆分线盒；5-多芯传导光缆。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

本实施例提供了一种基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，如图1所示，包括：测温主机1、传感光缆2和分布在高压开关柜内各个监测点的多个感温探测器3。测温主机1通过传感光缆2串联多个感温探测器3。感温探测器3由光纤绕制而成，绕制的光纤越长测温精度越高，一般绕制的光纤长度达到3米时测温精度即可达到1℃，感温探测器3结构简单、耐腐蚀、尺寸小巧，能够灵活地安装在高压开关柜内各个监测点，定点测量小范围内的温度变化，测量灵敏度高且不受电磁干扰影响。测温主机用于产生在传感光缆2中传输的脉冲激光，接收传感光缆2的后向散射光，并进行处理得到监测点的温度信息和位置信息。

本实施例的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，采用拉曼散射和光时域反射技术，可以同时实现温度和距离的测定。

拉曼散射是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。

光时域反射技术(即OTDR原理)是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。激光脉冲在光纤中传输时，在时域里，入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，有：

2L＝V·t

其中，V为光在光纤中传输速度；C为真空中的光速；n为光纤折射率。

系统利用半导体激光器产生窄脉宽光脉冲信号进入传感光缆2，经过光波分复用装置，将产生的拉曼散射光耦合至光电探测模块，由于受温度影响的反斯托克斯光信号很弱，采用双路微信号光电探测APD以及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换，将转换后相应的电压值经DSP高速处理芯片进行数据采集以及初步解调。计算温度的公式为：

其中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数；V₀为入射光频度；T为监测点温度；T₀为绝对零度。

当某个监测点温度升高时，从该监测点的感温探测器3处反射回的反斯托克斯光会产生明显的变化，根据这种变化即可确定温度值，同时根据返回的光在时间域上的时刻，即可确定监测点所处的位置。

测温主机1采用多项国内外领先光电测量和光纤技术以及高性能光电器件，测量距离可达数公里，因此，一条传感光缆2可串接多个感温探测器3，测温精度高达1℃，响应速度快，系统在若干秒内即可完成上百面高压开关柜中各触点温度的读取。测温主机1可实时监测感温探测器3的温度值，同时对过高的温度值进行报警，并显示故障点的位置，方便维修人员尽快确定故障点并及时维修。由于系统响应速度快，测温精度高，本系统配合相应处理算法可以实现阈值报警、温差报警、温升速率报警等报警方式，甚至实施“早期预警”，将安全隐患将至最低。

如图1、2所示，多个感温探测器3分布在高压开关柜内的动静触头与电缆连接点等关键监测点，通过传感光缆2串联连接，多个高压开关柜中的感温探测器3可串联接到一根传感光缆2上，可同时检测串联在这一根传感光缆2上的所有监测点。为了扩大系统的监测范围，如图1所示，本实施例的监测系统还包括光缆分线盒4和多芯传导光缆5，测温主机1通过多芯传导光缆5与光缆分线盒4连接，光缆分线盒4分出多路传感光缆2连接不同区域的高压开关柜，多个区域的高压开关柜可增加通道数来满足不同量化的需求。

如图2、3所示，给出了高压开关柜内动静触头、母排、电缆连接点等关键监测点的光纤分布连接方式，由于相邻两个监控点的距离较近，如果直接用光纤连接，存在高压电击穿光纤的安全隐患，而且相邻监测点间的连接光纤较短，也不利于区分相邻监测点的位置。因此，在高压开关柜内还设置有光纤分线盒，传感光缆2经光纤分线盒分出多路感温光纤，多路感温光纤串联，一路感温光纤与一个感温探测器3连接，具体连接方式如图4所示，每一路感温光纤由两条感温光纤组成，与光纤分线盒连接的感温探测器3均串联在同一线路中，图4中的箭头表示脉冲激光在光纤中的传播方向。多个光纤分线盒之间通过传感光缆2串联。以图2、3为例，光纤分线盒可设为任意独立单元，布设于开关柜电气室、母线室、及电缆室内，光纤分线盒内按照光缆曲率半径特征，规范盘绕引出的三路感温光纤，起到了单元封装工艺及束线路由分配标准化的作用。其路由分配，分别满足了ABC三相的电路特征，引出的对应感温探测器3分别监测了ABC三相的对应监测点。

由于一般光纤无法承受高温，因此感温探测器3外部的保护套采用耐高温、导热快的材料制成，优选聚四氟乙烯既能快速传递外界热量，又可有效保护光缆内部的光纤，还能防止啮齿动物的啮咬，尤其适合工业消防监测应用及工程施工需求。感温探测器3中的光纤采用感温多模光纤，支持较长的传输距离。

传感光缆2采用快速导热型光缆，内部光纤采用进口感温多模光纤，光纤的保护层选用高强度聚四氟乙烯，传感光缆2的外护套为高性能的低烟无卤阻燃材料，耐温高达300℃。本实施例采用的传感光缆2抗拉强度大，耐弯、耐压性能好，防水、抗腐蚀性，可靠性高，工作寿命长，有效保证整个监测系统的稳定运行。

本实施例的监控系统还包括网络通讯模块，网络通讯模块与测温主机1连接，测温主机1通过网络通讯模块将监测的数据上传至供电局的监控计算机，监控计算机根据报警的情况可判断哪个变电站的哪个高压开关柜发生异常，并及时采取必要的措施防止火灾事故的发生。人性化、功能完善的中文交互界面可实时显示温度分布曲线和待测区域报警状态，可根据实际工况分区设置多级报警阈值，并提供历史数据查询及统计分析功能。本系统采用先进的基于Web的以太网系统架构，系统可以方便地与客户局域网无缝连接，在网络内的任何一台计算机均可快捷地访问系统，通过操作系统自带的IE浏览器即可访问、调取温度数据和报警信息。

本实施例提供的基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统相比传统的高压开关柜监测系统具有以下优势：

(1)采用光纤制成的感温探测器3结构简单、耐腐蚀、尺寸小巧，能够灵活地安装在高压开关柜内各个监测点，定点测量小范围内的温度变化，测量精度高且不受高压电磁干扰影响。

(2)采用光纤的光时域反射原理以及光纤的后向喇曼散射温度效应，多个高压开关柜内的多个触头在单个通道里完成测量，最大程度的增加了测量容量，大大提高了监测效率。

(3)整个系统结构简单可靠，核心传感及通信只用一芯光纤，无任何中继运算与传输的器件。光缆使用寿面长，光缆出厂质保10年以上；报警后，只需系统软件复位，无损光缆，系统维护简单，柜内测量器件属绝缘非导电材质，不怕高压位击穿，无任何带电设施，安全性高。

(4)报警方式丰富，阈值报警、温差报警、温升速率报警；系统若干秒，完成上百面柜各触点温度读取，能够实现故障预警分析；常年数据备份，报警前后数据详尽，客户端调用及时可靠，展示分析能力多样。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种基于光纤分布式测温的高压开关柜多点监测系统，其特征在于，包括：测温主机、传感光缆和分布在高压开关柜内各个监测点的多个感温探测器；

所述感温探测器由光纤绕制而成；

所述测温主机通过所述传感光缆串联多个所述感温探测器；

所述测温主机用于产生在所述传感光缆中传输的脉冲激光，接收所述传感光缆的后向散射光，并进行处理得到监测点的温度信息和位置信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感温探测器外部设有保护套，所述保护套采用耐高温、导热快的材料制成。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述保护套的材料为聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感光缆和所述感温探测器中的光纤均采用感温多模光纤。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感光缆的保护层采用聚四氟乙烯材料。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述传感光缆的保护层外部设有外护套，所述外护套采用低烟无卤阻燃材料。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述高压开关柜内的光纤分线盒，所述传感光缆经所述光纤分线盒分出多路感温光纤，多路所述感温光纤串联，一路所述感温光纤与一个所述感温探测器连接。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于，还包括光缆分线盒和多芯传导光缆，所述测温主机通过所述多芯传导光缆与所述光缆分线盒连接，所述光缆分线盒分出多路传感光缆至不同区域的高压开关柜。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于，还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块与所述测温主机连接，所述测温主机通过所述网络通讯模块将监测的数据上传至供电局的监控计算机。