熒光光纖測(cè)溫在開關(guān)柜觸頭中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

高壓開關(guān)設(shè)備是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,其可靠性和安全性直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。開關(guān)柜觸頭是開關(guān)設(shè)備中的核心部件,其通斷容量大、工作電流高、使用環(huán)境惡劣,長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中極易發(fā)生異常發(fā)熱、過(guò)溫等故障,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致觸頭燒蝕,甚至引發(fā)爆炸、火災(zāi)等事故。因此,對(duì)開關(guān)柜觸頭進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的溫度監(jiān)測(cè),對(duì)于故障預(yù)警和設(shè)備診斷維護(hù)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的開關(guān)柜觸頭測(cè)溫方法主要有以下幾種:

1. 熱電偶法

熱電偶通過(guò)熱電效應(yīng)直接測(cè)量觸頭表面溫度。該方法測(cè)溫響應(yīng)快,但存在易受電磁干擾、易腐蝕、易老化失效等問(wèn)題,可靠性較差。同時(shí),熱電偶與觸頭之間需要良好的熱接觸,安裝不便。

2. 紅外測(cè)溫法

紅外測(cè)溫儀通過(guò)檢測(cè)觸頭表面發(fā)出的紅外輻射,實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫。但紅外測(cè)溫容易受到觸頭表面狀態(tài)、環(huán)境溫度等因素的影響,測(cè)量精度不穩(wěn)定。而且,由于開關(guān)柜結(jié)構(gòu)的限制,紅外測(cè)溫儀很難對(duì)觸頭進(jìn)行直接、全面的測(cè)溫監(jiān)測(cè)。

3. 光纖測(cè)溫法

傳統(tǒng)的光纖測(cè)溫多采用布里淵散射、拉曼散射等原理,通過(guò)檢測(cè)散射光信號(hào)的變化來(lái)推算溫度。這類方法雖然具有一定的優(yōu)勢(shì),但散射信號(hào)微弱,測(cè)量精度和靈敏度不高,且容易受到應(yīng)力、振動(dòng)等因素的干擾。

相比之下,熒光光纖測(cè)溫技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測(cè)中顯示出巨大的應(yīng)用潛力:

1. 高絕緣性,安全可靠

熒光光纖傳感器采用全介質(zhì)結(jié)構(gòu),耐壓可達(dá)數(shù)十千伏,可以在開關(guān)柜高壓帶電部位安全使用。即使出現(xiàn)故障短路,光纖也不會(huì)產(chǎn)生雷擊、放電等次生災(zāi)害。

2. 強(qiáng)抗干擾性,測(cè)溫準(zhǔn)確

熒光光纖不受強(qiáng)電磁場(chǎng)、高頻噪聲等復(fù)雜環(huán)境因素的影響,能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定可靠的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。特別是熒光壽命型傳感器,完全不受光強(qiáng)波動(dòng)和光纖彎曲損耗的影響,測(cè)溫精度可達(dá)±1℃,長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

3. 柔性設(shè)計(jì),測(cè)溫全面

光纖體積小、質(zhì)量輕、柔韌性好,可以方便地纏繞在觸頭表面,實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭的全方位、無(wú)死角測(cè)溫監(jiān)測(cè)。通過(guò)合理布設(shè)傳感光纖,可以同時(shí)獲得多個(gè)觸頭的溫度分布數(shù)據(jù)。

4. 遠(yuǎn)程測(cè)控,智能預(yù)警

熒光光纖可將觸頭溫度信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸至監(jiān)控室,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)控。通過(guò)設(shè)置溫度閾值,當(dāng)觸頭溫度超限時(shí),系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警,及時(shí)提醒運(yùn)維人員處置。同時(shí),溫度數(shù)據(jù)可用于觸頭健康狀態(tài)評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修和預(yù)防性維護(hù)。

四、開關(guān)柜觸頭熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開關(guān)柜觸頭熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素:

1. 傳感器選型

根據(jù)開關(guān)柜觸頭的溫度范圍、測(cè)溫精度要求、環(huán)境條件等,選擇合適的熒光光纖材料和傳感器類型。目前,石英光纖因其優(yōu)異的熒光特性和耐高溫性能,在高壓開關(guān)設(shè)備測(cè)溫中得到廣泛應(yīng)用。熒光壽命型傳感器則因其高精度、高穩(wěn)定性、不需校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn),成為觸頭測(cè)溫的首選。

2. 光路設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)熒光光纖傳感器的布設(shè)路徑和固定方式,確保傳感器與觸頭表面的緊密接觸,減小測(cè)溫誤差。同時(shí),要充分考慮光纖的保護(hù)和熱絕緣措施,避免光纖在高溫、振動(dòng)、機(jī)械應(yīng)力等惡劣工況下?lián)p壞。

3. 光源/探測(cè)器選型

根據(jù)熒光光纖的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng),選擇合適的激光光源和光電探測(cè)器。激光光源要求功率穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、體積小,常用的有半導(dǎo)體激光器和脈沖激光器。光電探測(cè)器則需要具備高靈敏度、低噪聲、快響應(yīng)等特性,如光電倍增管、雪崩光電二極管等。

4. 信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

采用高速數(shù)據(jù)采集卡和嵌入式處理器,實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換和溫度解算。優(yōu)化溫度解算算法,提高系統(tǒng)的測(cè)溫分辨率和響應(yīng)速度。根據(jù)需要,還可加入故障診斷、趨勢(shì)分析、智能告警等功能模塊,輔助運(yùn)維決策。

5. 通信接口設(shè)計(jì)

根據(jù)開關(guān)柜的布置情況和變電站的通信環(huán)境,合理選擇測(cè)溫系統(tǒng)的通信方式和接口協(xié)議。常見的通信方式有RS-485、以太網(wǎng)、無(wú)線傳輸?shù)?。通信協(xié)議應(yīng)符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如IEC 61850、Modbus等,便于與其他設(shè)備和系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

6. 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)友好、直觀的人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)觸頭溫度的圖形化顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置等功能。根據(jù)需要,可開發(fā)PC端軟件或移動(dòng)APP,方便用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。

五、應(yīng)用案例分析

熒光光纖測(cè)溫技術(shù)在國(guó)內(nèi)外高壓開關(guān)設(shè)備觸頭溫度監(jiān)測(cè)中已有多個(gè)成功應(yīng)用案例。下面簡(jiǎn)要介紹兩個(gè)典型案例:

1. 國(guó)家電網(wǎng)公司某500kV變電站案例

該變電站的500kV GIS開關(guān)柜觸頭采用了石英光纖和熒光壽命型傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸頭溫度的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。傳感光纖纏繞在觸頭表面,通過(guò)特制的陶瓷保護(hù)套管固定。

測(cè)溫系統(tǒng),可同時(shí)測(cè)量48個(gè)觸頭的溫度,測(cè)溫范圍為-40℃~200℃,測(cè)溫精度優(yōu)于±1℃。溫度數(shù)據(jù)上傳至站控層。當(dāng)觸頭溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出告警信號(hào),同時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警裝置。

該系統(tǒng)投運(yùn)3年來(lái),有效監(jiān)測(cè)到多起觸頭異常發(fā)熱事件,為開關(guān)柜的安全運(yùn)行提供了可靠保障。

2. 澳大利亞某風(fēng)電場(chǎng)案例

該風(fēng)電場(chǎng)的35kV風(fēng)機(jī)變壓器開關(guān)柜觸頭選用了光纖測(cè)溫系統(tǒng)。由于風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境惡劣,溫度變化大,傳統(tǒng)的電子式溫度傳感器很難適應(yīng)。而光纖傳感器具有良好的耐溫性和可靠性,能夠滿足風(fēng)機(jī)設(shè)備的測(cè)控需求。

測(cè)溫系統(tǒng)將光纖環(huán)繞排列在觸頭周圍,對(duì)多個(gè)觸頭進(jìn)行并行測(cè)溫,測(cè)溫精度達(dá)到±0.5℃。每個(gè)風(fēng)機(jī)配置一套光纖測(cè)溫裝置,風(fēng)機(jī)本地通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將溫度數(shù)據(jù)上傳至風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控中心。監(jiān)控中心軟件可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)觸頭溫度的全景監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、趨勢(shì)分析等功能。

該系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行5年多,經(jīng)受住了嚴(yán)寒、酷暑、雷電、鹽霧等環(huán)境考驗(yàn),觸頭測(cè)溫性能穩(wěn)定,有力提升了風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)維水平和可靠性。

六、發(fā)展趨勢(shì)與展望

隨著電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展和狀態(tài)檢修策略的推廣,高壓開關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)日益受到重視。熒光光纖測(cè)溫憑借其諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì),在開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái),該技術(shù)還將向以下幾個(gè)方向發(fā)展:

1. 傳感器技術(shù)創(chuàng)新

不斷開發(fā)新型熒光光纖材料,進(jìn)一步提高光纖的溫度靈敏度和穩(wěn)定性。優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研制微型化、陣列化、網(wǎng)絡(luò)化的光纖傳感器,擴(kuò)大測(cè)溫范圍和空間分辨率。

2. 測(cè)溫算法優(yōu)化

引入機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù),建立自適應(yīng)溫度解算模型,提高測(cè)溫精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。開發(fā)光纖測(cè)溫大數(shù)據(jù)分析平臺(tái),實(shí)現(xiàn)海量溫度數(shù)據(jù)的挖掘、融合和智能診斷。

3. 多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)

將光纖測(cè)溫與其他光纖傳感技術(shù)相結(jié)合,如光纖振動(dòng)傳感、光纖應(yīng)變傳感等,實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜觸頭的多參數(shù)、多維度綜合監(jiān)測(cè)。構(gòu)建全光纖、多功能、一體化的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),全面評(píng)估觸頭健康水平。

4. 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定

加強(qiáng)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè),從傳感器選型、安裝布線、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等方面入手,制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。推動(dòng)光纖測(cè)溫系統(tǒng)與智能變電站、配電自動(dòng)化系統(tǒng)的深度融合,實(shí)現(xiàn)故障診斷與隔離的自動(dòng)化和智能化。

總之,熒光光纖測(cè)溫技術(shù)在開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善,該技術(shù)必將在未來(lái)智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,為電力設(shè)備的安全、可靠、高效運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。