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應用光纖溫度檢測技術

戶內高壓金屬鎧裝移開式開關設備(簡稱鎧裝柜)是供電系統應用最多的開關設備之一,在12kV配電網絡,其中尤以KYN28-12系列開關設備的應用最為普及。鎧裝柜的設計要求是柜體的不同功能單元之間采用金屬隔板隔離,從而防止某一功能單元發生故障時引起的事故蔓延,鎧裝柜的動靜觸頭結合部位位于由環氧樹脂材料制造的觸頭盒內,在斷路器手車處于工作位置時結構如下圖:

    開關柜內的開關動靜觸點是電氣設備的連接頭是易出故障的薄弱環節,由于這些部位接觸不良、插接偏心不正等原因,導致接觸電阻較大,在大電流情況下該處的嚴重發熱,其結果是接頭溫度異常,加劇接觸面氧化,使得接觸電阻進一步增大,形成惡性循環,由于觸頭盒內部為的為封閉的環境,在這個空間內很難構成空氣對流通道,其主要散熱型式為熱輻射和傳導散熱,而空氣和構成觸頭盒及觸臂套管的環氧樹脂材料導熱能力相對較差,當觸頭部位的發熱量大于散熱量時,將會使局部環境溫度持續升高,而環氧樹脂主要成分為樹脂、固化劑和作為填料的二氧化硅,樹脂和固化劑均屬于有機材料材料,由不同長度的碳鏈構成其分子骨架,當溫度升高到一定程度環氧樹脂開始分解、碳化,造成熱破壞而觸頭盒喪失絕緣性能,由于觸臂與觸頭盒安裝板之間的距離遠小于空氣絕緣的安全距離,一旦觸頭盒的絕緣性能喪失,將會在這個部位引起弧光短路,引發設備甚至人身事故,并影響電網的正常運行。由于觸頭結合部位于斷路器室的內側,在設備正常運行的條件下,巡檢人員無法檢查觸頭部位是否存在溫度變化是否異常,只能在定期的設備檢修時通過觀察觸頭是否存在過熱引起的變色、觸頭盒是否存在過熱引起的變色、龜裂及碳化斑點的現象簡介了解斷路器的觸頭部位在實際運行中是否存在過熱的問題。因此如能使設備管理者實時掌握觸頭的工作狀態,可以最大限度的避免此類事故的發生。

    由于高壓開關觸頭處于高電壓、高溫度、強磁場以及極強的電磁干擾環境中,要實現對觸頭的測溫,必須解決電子測量裝置在上述惡劣環境條件下的適應性。目前測溫工作方式基本上采用被動式測溫或主動式測溫兩種形式。

    被動式測溫采用接收被測量點幅射出的遠紅外波,通過判斷遠紅外波長來確定測量點溫度;而主動式測溫則是通過埋設在測量點的溫度傳感器直接測量溫度。被動式測量的優點在于通過凸透鏡直接接收測量點發出的遠紅外波,接收器(傳感器)可遠離測量點,解決了高壓隔離以及傳感器環境溫度高的問題,測量系統結構簡單;其缺點是只可測量在傳感器直視范圍內的測量點溫度,這往往成為致命的弱點。

    主動式測量優點在于測量點位置不受限制,傳感器安裝布置靈活;主動式測量手段有電感應傳感器和光感應傳感器;電感應傳感器Pt電阻式傳感器,有點是體積小,成本低、測試溫度范圍廣,缺點由于采集點與接受信息點存在著高電位差,是必需解決傳感器在高溫、強電場、強磁場環境條件下的工作可靠性、傳感器與主機之間的高電壓隔離以及傳感器自身的工作電源問題。

    光纖光柵傳感器一般利用摻雜(如鍺、磷等)光纖的光敏性,通過特殊工藝方法使外界入射光子和纖芯內的摻雜粒子相互作用導致纖芯折射率沿纖軸方向周期或非周期性的永久性變化,在纖芯內形成空間相位光柵。光纖光柵解調器是分布式溫度監測系統的核心部分,主要是檢測光纖光柵響應波長的移動。一般光源部分設計用He—Ne激光器,近年來也有用LED發光管的.反射光波長范圍在l525~1625 nm之間呈較量好的線性關系,溫度每變化100,波長變化1 nm。對于較低溫段(-100~+250)的檢測,分辨率可達0.1。一根單模光纖上可以接20個以上的溫度傳感器(傳感器的個數和測溫范圍有關),單根光纖的測量速度一般在幾十毫秒以內,光纖的傳輸距離可達10 km以上。

    光纖光柵式傳感器的測溫系統由以下幾部分組成:

 

    其中傳感器安裝在斷路器的觸頭上,用于實時采集斷路器觸頭的溫度,光纖用于傳輸光源及感應信號,位于斷路器內光纖光柵解調器對信號進行處理并通過RS232或RS485數據接口把信號傳輸給綜保裝置處理并上傳,在觸頭溫度異常發出預警信號。

    溫度傳感器技術指標:

 

指 標 參 數
光柵中心波長 1525~1565 nm
光柵反射率 >85
標準量程 -30℃~+200 ℃
測量精度 ± 0.5 ℃
分辨率 0.1 ℃
溫度系數 0.1 ℃/pm
封裝形式 耐高溫絕緣材料
安裝方式td> 觸臂表面粘貼
尾纖類型 高溫絕緣光纜
連接方式 FC/APC
外形尺寸(長×寬×高) 60×8×8 mm

 

   光纖光柵傳感解調器技術指標:

 

主要指標 測量通道數 4
測量點數 1~288點
測量范圍 -30~200 ℃
測量精度 ±0.5 ℃
測量分辨率 0.1 ℃
電氣參數 工作電壓 220 V±10,50 Hz
最大功耗 典型值:30W;最大值:40W
數據接口 RS232、10 M以太網
警報輸出 RS232、10 M以太網
環境參數 工作環境 0 ℃~40 ℃
工作濕度 0~80無結露
光學參數 波長范圍 1525 nm~1565 nm
波長分辨率 1 pm
波長精度 3 pm
光纖接頭 FC/APC

 

 

    安裝在開關柜儀表室內的微處理器把解調器發出的信號處理后可實現實時溫度顯示、報警設置、報警記錄、歷史記錄分析等功能。

    實時溫度顯示能夠直觀地顯示設備實時溫度;報警設置可以設定不同的報警級別,包括超溫報警、溫差報警、火災報警;報警記錄可以保存歷史報警點的位置、報警溫度等情況;歷史記錄分析功能保存了自系統安裝以來所有測點溫度的變化情況。

    采用光纖光柵式傳感器用于電力溫度在線的監測,光纖感應元件和傳輸溫度信號,不需外接電源供電,而且傳感器及傳輸線路無金屬零部件,因此不受開關柜內強電磁場的干擾;光纖由用于傳輸光信號的心材和包覆層組成,這些材料均具有優異的絕緣性能,能夠隔離開關柜內的高壓,直接安裝到開關柜內的高壓易發熱觸點上,準確的在線測量高壓觸點的運行溫度,實現故障的早期預測和報警,當發生故障時,提供報警并迅速確定故障點位置,并按相應預案采取安全處理措施。從根本上解決高壓開關柜內觸點運行溫度不易監測的難題,具有穩定可靠、實時在線、免維護自動運行等顯著優勢,光纖光柵在線測溫報警系統在電力行業已經擁有實際運行經驗,已逐步成為電力設備在線溫度監測的一種重要方法。

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