国内高压带电设备测温方式综述及分析

书书书!#年$!月第%卷第$!期电!力!设!备&’()*+,)-’&./,01(2*!3()4!#56’7%867$!国内高压带电设备测温方式综述及分析金振东!许!箴#!金!峰$!袁昌进$!国电南京自动化研究院江苏省南京市#%%%$##常州供电公司江苏省常州市#$%%$#$南京控安电力科技开发公司江苏省南京市#%%$&$摘!要!电力系统高压带电设备温度的在线测量是长期未解决的难题文章论述了国内电力系统高压带电设备温度测量的现状和存在的问题!综述了国内当前$种高压带电设备的温度测量方法!分析了各自存在的优缺点及其适用场合!提出了变电站和发电厂不同高压带电设备适用的测温方法及其优化配合关键词!热敏电阻测温#分布式光纤测温#光纤光栅测温#红外测温中图分类号!’()$*+$9概况电力系统高压带电设备的各种连接点!如隔离开关触头母线之间的连接点等!当由于制造量或安装质量方面的原因造成接触不良时!会形成较大的接触电阻!在运行过程中又会由于酸雨污染及氧化而使接触电阻进一步增大!在重负荷下有可能由于接触点的高热而导致设备的烧毁和停电#此类事故在国内各级电网中时有发生!因而对高压带电设备的各种连接点温度的在线监测和控制是保证电网安全运行的重要内容#此外!高压带电设备的各种连接点的温度在线监测和记录!也是这些设备状态检修的重要依据#电力系统高压设备的温度测量!按照电气设备的类型!主要可分成变电站%,-以上电压等级的户外配电装置的接触点测温!./$*,-电压等级的户内配电柜内配电装置接触点测温!以及主要用于电厂的电缆及电缆接头的测温#前两者需要测温的测点众多!长期以来一直停留在人工巡视观察阶段#变电站实行无人值班化后!调度运行及变电管理迫切要求将站内各类高压电气设备接触点的温度实现在线监测!但由于缺乏在线测温的手段!电网调度自动化及变电站自动化的标准及设计规程中都无法将其列入#电缆接头的测点数量较少!但其测温关系到防止电缆接头过热导致电缆爆炸起火!十分重要#由于高压电缆都有接地的绝缘层!它的测温是在电缆不带电的外皮上进行!实际不是高压设备的带电测量!一些非带电测量的方法可以采用!目前已试用了自动测温措施$!#%#对于上述高压带电设备的测温!除了目前各电网仍在沿用的在被测接点上贴以特殊的腊片!定期检查!根据蜡片变色或熔化程度来推测接点温度的比较原始的方法外!共有$种定量测量方法!即热敏电阻测温法光纤测温法和红外测温法#光纤测温法已有多种类型的产品!而且已在电缆测温中试用!但不能实现户外高压配电装置及户内配电柜内的接触点的温度在线测量!虽然一些厂商宣称其产品可满足要求!但实际上做不到#红外测温法目前只能用人工进行操作!因为它已被定为电力行业标准&012’..3’444(!而且在实际应用中也不可缺少!所以也在本文中进行讨论#最近研制成功并投运的热敏电阻型测温系统较好地解决了户内外高压配电装置接触点温度的在线测量问题!但它在用于电缆沟内电缆测温时!也具有局限性#目前还没有一种测温系统能满意地覆盖所有高压电气设备的在线温度测量!在一些场合还需要将不同系统配合以满足各类设备的测温要求#现将各类测温系统的特点及其适用范围进行分析和讨论#!9:种测温方法的原理简述!$9热敏电阻型测温法此种方法的原理最为直观#它是用由热敏电阻作为测温的元件构成温度传感器&简称测温器(#利用热敏电阻的温度特性!将测得随温度而变的电阻值转换成电压值的变化!然后将电压值的变化由模拟量转换成数字量后进行各种显示告警趋势分析等处理#电力系统测温用的热敏电阻有铜电阻铂电阻等!最常用的为铂电阻&56(#热敏电阻型测温法采用的工业用56&%%(的阻值在%7时为%%!#阻值!6随温度的变化可用下列公式表示!68!9&:6:##6(&(按照国际电工委员会;=&*制定的国际标准!在%/)*%7范围内)!8$4%)$?%@$27!#8@*&&*?%@&27&#(按照上式进行计算!就可准确地计算出!6的温度变化关系#*)!!!电!力!设!备第)卷第#期铂电阻测温传感器由铂电阻探头和电阻2温度转换装置构成!56&%%(铂电阻探头为密封在直径为$AA!长为#*BA的圆桶形金属罩内的铂电阻丝!由导热材料填充并由金属引线引出#铂电阻探头固定在待测温的触头&点(上!由于铂电阻探头的体积很小!金属罩及导热材料导热良好!因此!铂电阻所测温度可完全反映被测对象的实际温度#!!9光纤及光纤光栅测温法!!$9光纤测温法光纤测温法是4)年英国南安普敦大学提出的!其基本原理是将感温光纤紧贴于待测的物体上!由光源向光纤中发射一束激光脉冲!光纤中每一点均向后散射一小部分光!包括称为斯托克斯光和反斯托克斯光#部分!其中斯托克斯光的强度与温度无关!反斯托克斯光的强度则随感温光纤各点的温度变化而变化#二者之间的定量关系可以用一个复杂的对数公式表示!测温计算的公式如下)$%&’(%)*+C+()DC,3)*’%,’’%,()[]’-&$(式中!&为普朗克常数!(为玻尔兹曼常数!+C为斯托克斯光强度!+DC为反斯托克斯光强度!’%为伴随光的频率!’为拉曼光频率增量#用这一公式可计算出各点温度!各点与入射光起点的距离也可利用入射光和后向散射光之间的时间差和光纤的光传播速度计算出来#光纤测温的物理设备是温度探测和信号传输合用同一光缆!由测温主机产生入射光和接收后向散射光作信号处理#光纤测温具有整段光纤测温的特性#这一分布式特性很适用于待测物体表面无电压的管状设备!如输油管道及电缆等沿线分布的温度监测!用于高压带电设备则有很大的局限性#!!!9光纤光栅测温法光纤光栅测温法是美国联合技术研究中心于4)4年提出的!它是将温度测量和信息传输分开!用光栅探头作测温!用一般光纤作信息传输!光栅探头和相连的光纤合称光纤光栅测温#光栅是在一块长约%BA宽约BA厚约%#BA的石英玻璃片上以光刻方式!刻以一系列等宽间距的平行狭缝即条纹!每BA上以刻有数千条以至上万条刻痕!刻痕处镀以不透光材料使之不透光!未镀处透光!构成探头#将各探头有刻痕的一面对准并紧贴待测温体的各点!各光栅探头之间以光纤互联#测温时由光源将一束宽带光射入光纤#这一光束在到达光栅探头时!满足称为EFGHH条件的入射光波长&中心波长(!被光栅反射#温度变化时!由于光栅材料的热胀冷缩导致光栅的条纹周期发生改变!入射光波长的变化与测温点光栅探头的温度变化量及应力变化量之间有定量关系#在光栅探头内部没有应力变化的条件下!反射光的中心波长的变化与探头温度的变化近似成线性#串联的光栅探头由于各探头的条纹周期不同!反射光的中心波长不同!接收装置可根据反射光中心波长的不同而区分是哪一个光栅探头测得的温度#光纤光栅测温的公式如下!E8#*IJJ&3(式中!!E为反射光的中心波长**IJJ为光栅的有效折射率*为光栅的条纹周期!是光栅的温度和应变的函数#光纤光栅测温系统由于光源强度的限制!其长处也是用一根光纤上连接若干光栅探头测温!与分布式光纤测温不同的是!它只测沿线若干点的温度而不是测全线的温度#沿无电压管道状设备测量也比较适合使用这种测温方式#!:9红外测温法红外测温法利用光学设备!聚焦于特测设备的触点!利用待测设备触点不同温度下红外辐射不同的原理!采集该测点表面的热能量的红外辐射!经过红外镜头聚焦!将待测设备的红外辐射送至红外测温器!根据测得的由温度形成的红外辐射的输出信号.&电压或电流(和.@$关系式进行待测设备温度$的计算&$的3次方与输出信号.成正比!与待测设备的红外辐射率成反比(!实现温度测量和进行图像处理#:9测温系统的构成:$9热敏电阻型测温系统构成热敏电阻型测温系统由多个56电阻测温探头和温度转换温度传输部件构成!其输出信号由后台机处理#变电站中传统的热敏电阻型测温系统由于需要外加电源!这在高压带电设备上不可能做到!故只可用以测量不带电物体的温度!如变压器油温等#由于技术的发展!最近已开发出了在线测量高压带电设备温度的热敏电阻型测温产品#它与传统热敏电阻型测温装置的不同之处首先在于不需要外加供电电源!即供电电源的无源化#关于供电电源!曾有几种方案!其中的代表是用所谓长寿命电池&包括可充电电池(作为供电电源!这似乎很简单!但问题众多)一是无法维护!因为所有电池都有寿限!以当前性能最优的锂电池为例!它所谓的长寿命&例如%年(!是指电池在一定温度下的存储寿命!连续工作寿命则要短得多!在高温条件下&如高温季节(更会大打折扣!实际寿命很难计算#若按*年计算!每座变电站按%%个测点!一个地区按#%座无人变电站计算!则平均每天要停电更换个电池#二是存在隐患!锂电池或可充电电池都存在自爆炸的可能!大量采用自爆炸的概率会更大!将直接影响一次系统的安全#因而这种方案不可用#只有安全可靠的!真正免维护的供电电源!才能满足电网中数量众多的高压带电设备的在线测温要求#已开发产品的供电电源无源化!是采用一次侧抽能方式!并用特殊的电路设计经验交流金振东等)国内高压带电设备测温方式综述及分析*4!!!以保证在一次侧电流大幅变化&从%K/%%K’D额定电流变化(条件下测温器仍能可靠工作#这一点虽早就有人设想过并在不断研究!但最近才取得突破#由于这一突破!才实现了测温设备免维护的要求#关于采集测温数据的传输!这种系统采用超低发射场强的无线传输设计#对分布在不同配电间隔的数据接收器则用LC3)*总线互联送至通信管理器!多台通信管理器用以太网互联送至后台机!构成系统!或作为特殊变送器送至变电站综合自动化系统#该产品为=M#%%%系统!于#%%*年#月在江苏溧阳%,-城郊变电站投入运行!#%%&年*月通过省级专家组会议验收#计划年内在##%,-变电站试运#:!9光纤及光纤光栅测温系统构成:!$9分布式光纤测温系统的构成分布式光纤测温系统是由若干测温主机测温光纤本地工作站以及通信网络和后台机构成#其中!测温主机由激光组件双向耦合器波分复用器及信号处理器等构成#原则上每台测温主机可用放射形结构连接到*条感温光纤!构成若干子系统!但这需要大功率的光源或增加许多切换电路!从经济合理出发!*的数值不能太大#这种方式的优点是可在一条感温光纤上串接若干待测设备的测点!形成分布式测温以及全光纤段的线式测温#本地工作站通常是一台工业控制机#用以采集一台测温主机构成的子系统#所有数据供当地调试和显示用#本地工作站通过局域网将所采集的数据传输至变电站&电厂(内的后台机进行数据处理!或通过广域网将数据送至远方监控中心#:!!9光纤光栅测温系统构成光纤光栅测温系统是由多个光栅传感器光纤网络传感分析仪光纤数据收发器交换路由器以及工控机等构成#光纤光栅测温系统的工作方式!除以点式测温代替分布式光纤的线式测温外!其他基本相同#::9红外测温器及系统构成红外测温器是由红外光学系统红外镜头探测器信号处理器构成!红外测温器可通过网络传播送至远程监控计算机!多台红外镜头探测器互联并加上其他电路就可构成红外测温系统#国内曾有厂商按此原理设计了红外测温系统试用于配电柜的在线测温!但由于需要将柜内的多台红外镜头进行严格安装并瞄准各待测温部件!而配电柜内的结构使这一要求很难实现#红外镜头要求清洁!不允许镜头表面有灰尘!这一点在实际运行中也很难做到#而且红外测温器价格昂贵!经济上也不合理!因而这种系统已不再被采用#目前各厂站都是采用单台手持式红外测温器测温#;9:种测温方法的适用性分析一种测温方法能否适应电力系统高压设备的温度测量的实际要求!以及适用于何种场合!可以从测温精度及稳定度安装及维护难易程度和对一次设备运行的影响程度$个方面来分析#;$9测温精度及稳定度分析作为高压带电设备的测温设备!只须满足电力系统测温精度&N7(的实际要求即可!要点是长期运行的稳定性#&(热敏电阻型测温法)铂电阻型测温器的测量精度是由#个方面决定的!即铂电阻的精度及D20转换电路的精度#由于铂电阻的制造是按;=&*制定的国际标准制造!因而可按统一的标准测定#以目前一般采用的工业级E级56&%%(而言!其阻值测量误差为N%#K!在温度变化范围较小时!阻值变化基本上呈