高压开关柜光纤测温技术探究

山东科技大学学士学位论文摘要I摘要高压开关柜是发电厂、变电站重要的电气设备。在设备长期运行过程中，开关柜中触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热，最终将导致火灾事故的发生。解决开关柜过热问题是杜绝此类事故的关键。但是，开关柜内电压高，空间小的特点，就决定了温度的实时监测很难实现，传统的测温方法不满足要求。本设计所讨论的分布式光纤测温技术为高压开关柜内温度检测提供了新的方法，其构成原理决定了它不会产生电磁干扰，并且具有高电压、强腐蚀、辐射和强电磁干扰的环境下运行以及可进行连续空间测温等特点。本设计首先通过查阅相关文献，对比现有测温技术的优劣及当前光纤测温技术的发展情况，再进一步主要探究分布式光纤测温技术的原理，然后给出整个测温系统的结构框架，最后对系统在实际中应用的可行性进行分析，并提出可改进的措施。关键词：高压开关柜，分布式，光纤测温，拉曼散射山东科技大学学士学位论文摘要IIABSTRACTHighvoltageswitchcabinetistheoneofmostimportantequipmentinpowerstationand.Theageingofthebuslineandthecontactinswitchcabinetorexcessivecontactresistancewilleventuallyleadtoafireaccidentduringthelongtimerunning.Therefore,thekeytopreventsuchaccidentsistosolvetheproblemofoverheatingofswitchcabinet.However,becauseofthenarrowspaceandhighvoltageinswitchcabinet,itisdifficulttoachievereal-timemonitoringoftemperaturemeasurement,whichtraditionalmethoddoesnotmeettherequirements.Inthestudy,anewmethodofmeasurementinhighvoltageswitchwhichusedthedistributedopticalfibertechniquesisdiscussed.Itsprincipledeterminestheelectromagneticinterferencewon’tbegenerated.Andithastheadvantagesofmeasuringtemperaturecontinuously,intheenvironmentofhighvoltage,strongcorrosion,radiationandstrongelectromagneticinterference.Inthestudy,wefirstlycontrasttheadvantagesanddisadvantagesofthetemperaturemeasurementmethodsandrealizethecurrentsituationofopticalfibertemperaturemeasurementtechnologythroughconsultingrelevantliterature.Then,wemainlyexploretheprincipleofdistributedopticalfibertemperaturemeasurementtechnologyandgivethewholeframeworkofsystem.Finally,thefeasibilityofsystemusedintheactualapplicationsisanalyzed,andputsforwardtheimprovementmeasures.Keywords:switchcabinet,distributed,opticalfibermeasurement山东科技大学学士学位论文目录III目录第一章绪论.........................................11.1设计背景及意义............................................................................................11.2高压开关柜测温综述....................................................................................21.3分布式光纤测温技术概述............................................................................7第二章分布式光纤测温技术原理........................102.1光纤中的散射光...........................................................................................102.2拉曼散射原理..............................................................................................132.3光时域反射原理（OTDR）..........................................................................19第三章分布式拉曼光纤温度传感器系统的研究与设计.......213.1分布式拉曼光纤温度传感器系统的构成.........................213.2分布式拉曼光纤测温系统性能分析..........................................................26第四章分布式拉曼光纤测温系统在实际中的应用...........294.1高压开关柜中的温度监测系统..................................................................294.2分布式光纤测温系统安装..........................................................................324.3系统的主要监测功能..................................................................................33第五章设计总结......................................35参考文献.............................................36致谢辞...............................................38山东科技大学学士学位论文目录IV附录一英文文献及中文翻译............................39附录二分布式拉曼光纤温度传感器工作原理图.............49附录三分布式拉曼光纤测温系统原理图..................50附录四使用高速A/D转换器实现数字平均的软件流程图.....51山东科技大学学士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1设计背景及意义近年来，随着我国经济的发展，作为工业发展基础的电力行业也得到了长期快速的发展，经济发展对电能的依赖性逐渐增大，电力系统的安全运行已经关系到整个国民经济的发展和人民生活的稳定。随着电网建设的快速发展，作为电力建设中重要设备之一的高压开关柜已大量应用于110kV以下的电网系统中。同时，电网的发展也进一步促进了高压开关柜的发展和创新。国内外的高压开关柜制造商也都在努力提高自身竞争力，抢占市场份额。高压开关柜正向着智能化、高可靠性、少维护的方向发展。目前普遍使用的小车式开关柜由于断路器与开关柜之间采用插头连接，小车与开关柜因制造、运输及安装不良等引起触头接触不良，接触电阻增大，就会出现触头温升过高，甚至烧毁，造成停电，这些现象在大电流开关柜如进线柜上尤为突出，且影响极大。为避免此类事故的发生，开发一种能即时监测温升的装置显得非常迫切。而在各种传感器技术中，光纤传感器近几年发展迅速，目前已经能够用光纤传感器实现压力、温度、震动、电流、电压、磁场等物理量的检测、这些应用都归功于光纤，具有体积小重量轻、结构简单、使用方便、耐高温和抗电磁干扰以及长作用距离带来的高灵敏度等特点。因此，如果能用光纤制造的某种传感器对高压开关内的关键点进行温度的实时监测将使开关柜的质量和安全性实现质的飞跃。山东科技大学学士学位论文第一章绪论21.2高压开关柜测温综述1.2.1高压开关柜的结构特点与发热高压开关柜的主要优点为整体设计紧凑、体积小、密封性好，但也普遍存在着开关柜内异常发热的现象。一般情况下，高压开关柜内安装的一次设备分布在母线室、断路器室、电缆室三个相互隔离的空间内，按照相关规定，所有各室除了电气连接、控制、通风而必须的开孔外，所有室均为封闭状态。在电缆室有连接出线电缆的三个主接头和连接旁路开关的多个接点。在断路器室的手车上一般有六个主插头，有十八个连接点，所有这些连接点直接流过负荷电流。当负荷较大时，很容易产生发热现象。而且，开关柜在运行过程中柜门禁止打开，一般手段根本无法发现发热，柜内温度不断上升，无法向外界排放热量，热量不断积累，如不加以控制，将造成接头变红，熔断甚至火灾等严重事故。威胁生产安全，人身安全[1]。究其发热原因，确是多种多样的。理论上来说，负荷通常达不到开关柜的额定容量时，不会出现温升异常的情况，但实际情况并非如此。实际情况下开关柜的温升问题还是很严重的。主要原因有：（1）金属膨胀效应不同。钢制螺栓的膨胀系数要比铜制或铝制的母线小得多，他们在长期受热情况下膨胀和收缩的差异会使接触面产生氧化膜增大接触电阻，产生过热现象。（2）安装工艺不当。母线在加工、安装、连接过程中，容易造成连接不平整，不光滑，连接螺栓过紧或过松，这些都将造成有效接触面积减少而增大接触电阻，从而造成过热现象。（3）热性能和负荷影响。由于开关柜的紧密设计，必然造成柜内热量山东科技大学学士学位论文第一章绪论3聚集，如果散热不顺畅，必将直接影响运行安全。当负荷变化不稳定，尤其是用电紧张的夏天，开关柜长时间在较高负荷下运行时，容易导致设备的薄弱环节异常发热[2]。1.2.2高压开关柜温度的监测由以上分析，我们可以看出，在高压开关柜中异常发热的现象时有发生，而且并不都是人为因素造成的。近年来，我国也发生过多起因为开关柜过热造成的严重事故，发热问题不容忽视。在解决开关柜发热的问题上，最好的方法就是预防，也就是能够对开关柜内的温度进行监测。《国家电网公司十八项电网重点反事故措施》第11.7.2条明确提出：定期用红外线测温设备检查开关设备的接头部、隔离开关的导电部分，特别是在重负荷或高温期间，加强对运行设备温升的监视，发现问题应及时采取措施。如果能对开关柜内关键位置的温度进行监测，一旦发现温度异常，立刻采取措施，可以大幅度的减少事故发生率，提高发电、用电的可靠性。在线测温系统要具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜的高压，因此能够安装在开关柜内，准确测量高压柜内关键位置的运行温度。而且，在线测温的温度传感器可在封闭的柜体内直接测量设备温度后，以无线等方式传出，可以直接与监控计算机连接实时监测、汇总，进行下一步操作[3]。1.2.3现有测温技术的比较(1)传统测温方法高压开关柜长期工作于高电压、大电流、强磁场的环境下，开关触头温度实时监测的实现有很大的困难，传统的人工定时巡检的方法是依靠工作人员手摸、闻气