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基于荧光光纤传感器高压开关柜温度监测系统设计

来源: 发布日期:2015-02-11 浏览次数:1627

   在我国电力系统发展过程中,用电安全性问题日益突出。事故频发,大多因为电流通过某些部位,导致局部过热,并且没有及时发现所导致。基于此,对某些重点部位进行温度监测、显示、报警,若有意外发生,及时采取处理措施,是避免安全事故发生之关键。

   传统电力系统中测温方法主要包括接触式和非接触式测量两种。热电阻测温、热电偶测温和红外线测温是实际应用中常见的测温方法。传统方法因器件测量局限,易受到环境温度以及电磁的干扰,无法精确测量。与此同时,传统传感器也给电力系统绝缘防护带来一些问题,故降低了电力系统的绝缘防护等级。为弥补传统方法的局限,光纤测温技术应运而生。以光纤为媒介的新型传感器,克服了电力系统环境中的电磁干扰,且由于光纤优良的物理、化学、机械特性和传输性能,使得光纤传感器具有传统型传感器无法比拟的优点。

1 高压开关柜温度在线监测现状

   国内外常用的测温方法主要包括两种,接触式和非接触式测量,这两种方法在温度监测领域有着广泛的研究与应用,本文重点介绍非接触式测量方法中的红外测温、无线测温、光纤测温法。

1.1 红外测温法

   红外测温法的原理是斯特藩-玻尔兹曼、普朗克的黑辐射理论。众所周知,黑体是理想的辐射体,其可在同样温度下发出相同的电磁波,且与其具体成分和形状没有关系。在一定范围内,物体的表面温度与红外辐射能量大小及波长存在函数对应关系,故依据测量物体辐射的红外能量,通过二者的函数映射关系,即可推算出物体的表面温度。

   红外温测仪的基本组成包括光学系统、红外探测器、信号放大器与信号处理及显示输出四个部分。在这几个部分中,红外探测器是系统的测量部件,是系统的核心部分,其将入射的红外辐射转变成可供测量的电信号,该电信号在后续处理过程中充当物体温度的载体,经过放大器与信号处理器电路,并依据仪器内部算法,计算校正后即可转变成被测目标温度值。

1.2 无线测温法

   无线测温系统由分布式测温点、数据接收器、后台处理系统组成。该方法是对接触式温度方法的改进,是新型的测温方法,其可以隔离测温设备与电力系统之间的高低压。在需要测温的地方直接安装分布式测温点,数据接收器则放置在距离开关柜有一定距离的地方。以无线通讯方式来实现测温点和接收器之间数据传输,从而实现了高压隔离与温度数据采集。

   无线测温法虽解决了测温装置之安全问题,但也导致很多其他问题,最核心的是开关触头位置处测温装置的工作稳定性问题。在实际应用中,该模块电源是感应式电源,从电力线获取能量。其获取的能量大小由电力线负荷的大小决定,由于电力线负荷的变化随机性较大,故模块常出现供电不足现象。基于此,业界也曾采用使用电池、减少测温装置功耗等方法来解决,电池的蓄电容量有限,所以需要定期更换,同时也会因为无线发功率过小产生电磁干扰,这给数据传输造成了一定危害,导致温度数据传输出现错误,若更换装置电池,需要高压开关柜停止供电,从而达不到高压开关柜持续运行的工作要求,这些局限性都严重制约了无线测温法的应用。

1.3 光纤测温法

    近些年,伴随着光纤通讯和集成光学技术的发展,在传感器领域光纤传感技术方兴未艾,与传统相比,光纤传感器的优点不是功能特性,而是源自其本身的物理特性。光纤传感器具有质量轻、直径细、信号衰减小、抗腐蚀性强、抗电磁干扰、耐高温的特点,且具有集信息传感与传输与一体等优点,可解决常规检测技术不能解决的测量问题。首先,光纤本身绝缘性能良好,可以隔离电力系统与测量设备之间的高压,避免了测温装置引起的设备安全事故,安全性大大提高。使用光纤作为传输和传感信号的载体,可以克服在电力系统环境中数据传输存在的强电磁干扰问题,故可得到更加精确的测量结果。其次由于光纤

挠曲性好,可检测常规传感器不能达到的部位。这些优点使得光纤传感器在电力系统温度测量方面展露头角,逐步替代其他传感器测量方法,比较适合作为高压开关柜温度测量的主要手段。

2光纤光栅温度传感工作原理

   温度解调系统驱动LED发出一个光脉冲,光脉冲通过光纤到达涂有稀土物质的探头激发出荧光,这些荧光通过光纤传输到温度解调系统中进行光电转化得到相应的温度数据显示在相应的面板上,并通过解调仪对温度进行传输显示处理。

3 光纤测温系统组成

荧光光纤测温装置主要包括光纤温度解调仪,显示仪表,荧光光纤传感探针,监控主机和人机交互界面等

(1) 光纤温度解调仪实时发射光脉冲并接收荧光光纤传感探针传输的携带有温度信息的光信号,并把其解调为温度数值,并将温度数值传送到显示仪表,由显示仪表根据温度情况进行相应的告警等提示。当实际测量值大于报警设定值时发出报警信号。它既可单机独立工作,也可多台组网使用,适用于各种规模应用需求。还可选配相应的显示模块用于就地显示,显示仪表采用嵌入式安装方式安装在门板等地。

(2)显示仪表具有实时温度显示、报警设置、声光报警和故障诊断等功能。一般安装在柜门等便于观察的位置。它接受来自于光纤温度解调仪的温度信息,并根据预先设置好的阈值进行判断和报警等功能,同时还具有系统自检功能,能对自身的状态进行诊断和显示。报警阈值及报警方式等信息都可以通过仪表表面的菜单进行设置,如图4。

(3)荧光光纤传感探针(测温式荧光光纤火灾探测器)探头尺寸极小,可直接安装在被测点上,测温准确,响应迅速;其尾纤选用特制光纤,它具有传输带宽大、信号稳定、抗电磁干扰、抗挠曲、抗冲击强度高和连接快捷等优点;尾纤护套具有耐高温、耐老化、耐腐蚀、高绝缘、不粘附等特性,可适应高压、高温、强电磁等恶劣的使用环境。

(4)监控主机能实时接受、处理来自多个光纤温度解调仪发来的正常信息、故障信息、灾害信息,并对其进行快速处理和管理,监控主机具有故障监控、显示、报警、信息交换等功能,同时通过网络可实现远程监控。

(5)人机交互界面软件系统的主要功能包含实时温度的本地监控、实时数据的远程监控、高/低温报警、高/低温预警、历史数据回放、报警前后曲线、温度导出至Excel等功能

4 总结

针对高压开关柜温度实时监测问题,简要阐述了目前常用监测方法及其优缺点,重点阐述了光纤在电力系统温控领域的应用,荧光光纤作为一种新颖的传感检测技术,自其出现之始就得到了广泛的关注。本文在充分研究光纤测温的基础上,了解基于光纤的传感测温系统,并对各个逻辑模块的功能结构进行了详细介绍,对电力系统中类似问题的解决具有一定的指导意义。