光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述.pdf
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1、第 3 8 卷 第 1 期 2 0 1 0年 1月 l口 电 力 系统 保 护 与 控 制 P o we r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d Co n t r o l V0 1 38 No 1 J a n 1 2 01 0 光纤温度传感器在 电力系统中的应用现状综述 李 强,王艳松 2 刘学民。(1 中海石油研究中心,北京 1 0 0 0 2 7;2 中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东 东营 2 5 7 0 6 1)摘要:首先介绍了光纤温度传感器的优点及发展现状 并重点介绍了应用最为广泛的分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度 传感器的基本原理
2、。概述了当前光纤温度传感器在电力系统中基本的应用模式,并综述了光纤温度传感器对电力系统主要设 备进行温度监测的现状与意义。针对光纤温度传感器在电力系统中应用存在的问题与不足,提出了相应的解决方案并对其前 景进行 了展望。关键词:分布式光纤温度传感器;光纤光栅;温度监测;故障诊断;电力系统 App l i c a t i o n s i t ua t i o n of t e mpe r at ur e mo ni t o r i n g o f o p t i c fibe r s e ns o r i n po we r s y s t e m L I Q i a n g ,W AN G Y
3、 a n s o n g ,L I U X u e mi n (1 C NO C R e s e a r c h C e n t e r,B e U i n g 1 0 0 0 2 7 C h i n a;2 C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m,Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1,Ch i n a)Ab s t r a c t:Th e a d v
4、a n t a g e s a n d d e v e l o p me n t o f t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g o f o p t i c fi b e r s e n s o r i s p r e s e n t e d,a n d t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f fi b e r o p t i c d i s t r i b u t e d t e mp e r a t u r e s e n s o r,fi b e r g r a t i n g s e n s o r a
5、r e r e s p e c t i v e ly i n t r o d u c e d,wh i c h a r e mo s t p o p u l a r i n i n d u s t r y u s e I n t h e p a p e r,t h e b a s i c a p p l i c a t i o n mo d e l o f t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g o f o p t i c fi b e r i n p o we r s y s t e m a r e p r e s e n t e d I mp or
6、t a n t l y,t h e a p p l i e d s i t u a t i on a n d i mp orta n c e t h at t h e op t i c fib e r s e ns o r i s u s e d t o mo ni t or t h e t empe r a t u r e o fe l e c t r i c e qu i pme nt a r e s u mma r i z e d Ai mi n g a t d e f e c t s o f a p pl i c a t i on c ue nt l y,s ome a pp l i
7、e d s o l u t i o ns a r e p r e s e n t e d a n d t h ei r a p pl i c a t i o n p r o s p e c t s h a s pr os pe c t e d Ke y wo r d s:d i s t r i b u t e d o p t i c fi b e r s e n s o r;o p t i c a l fib e r g r a t i n g;t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g;f a u l t d i a g n o s i s;p o we
8、r s y s t e m 中 分类号:T M4 5 文献标 识码:A 文章编号:1 6 7 4 3 4 1 5(2 0 1 0)0 1 0 1 3 5 0 6 0 引言 温 度是 电力设备 的重要运行 参数,通 过监测 电 力设备温度信息获取电力设备的运行状况是电力系 统故障预报与诊断的研究热点,研究内容包括各种 新型的温度传感器的应用、电力设备 的故障预报与 诊断方法等。其中光纤温度传感器在电力系统中 的应用是近年来研究的热点,已广泛应用于发 电厂、变电站等L 2 j。光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压、耐化学腐蚀,安全等特点f 4】。本文对 电 力系统温度监测的基本内容进行了概述,
9、研究了当 前光纤温度传感器在电力系统中的应用,并对其发 展趋势进行了展望。1 光纤温度传感器 光纤温度传感器是上世纪 7 0年代发展起来的 一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息,具 有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征【5】0在 国外,光纤温度传感器发展很快,形成了多种型号 的产品,并已应用到多个领域,取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼,多个大学、研究 所与公司展开合作,研发了多种光纤测温系统投入 到 了现 场应用。按工作原理分,光纤温度传感器可分为功能性 和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感 器的同时也是光信号的载体,而传输型温度传感器 中光纤则只传输光信号。目前主
10、要的光纤温度传感 器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感 器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器 等。其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光 纤光栅温度传感器。(t)分布式光纤温度传感器【6。分布式光纤传感器最早是在 1 9 8 1年由英国南 安普敦大学提出的。激光在光纤传送 中的反射光主 要有瑞利散射(R a y l e i g h s c a t t e r)、拉曼散射(R a ma n s c a r e r)、和布里渊散射(B r i l l o u i n s c a t t e r)三部分,如图 1 所示。分布式光纤传感器经历从最初的基 于 后向瑞利散射的液芯光纤分布
11、式温度监控系统,到 电力 系统保护与控制 基于光时域(OT D R)拉曼散射 的光纤测温系统,以及基于光频域拉曼散射光纤测温系统(R OF D A)等等。目前其测量距离最长可达 3 0 k m,测量精度 最高可达 0 5,空间定位精度最高可达 0 2 5 m,温度分辨率最高可达到 0 0 1 左右。l 坠 冲 厂 厂、厂 I j 、反射 光 I n c i d e r t t【j 曲t D T s I:机 瑞 利 散 射 拉 曼 敞 S t o k e s s i g x 拉曼散射t ok翥e、一 、一 图 1分布式光纤温度传感器基本原理 F i g 1 Ba s i c p r i n c
12、i p l e o f fi b e r o p t i c d i s t r i b u t e d t e mp e r a t u r e sensor 目前,分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散 射效应及光时域 反射计(O T DR)技术实现连续分布 式测量,如 Yo r k S e n s a、S c n s o me t 等公司产品。基 于布里渊散射光时域及光频域系统也是 当前光纤传 感器领域研究 的热点,L I O S、MI C R I O N O P T I C S 等公司已有相应的产品。(2)光纤光栅点式温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性 在光纤纤芯形成的空
13、间相位光栅来进行测温 的。光 纤光栅 以波长为编码,具有传统传感器不可比拟 的 优势,己广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行 业等。们。光纤光栅温度传感器主要有 B r a g g光纤光栅温 度传感器和长周期光纤光栅传感器。B r a g g光纤光 栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成 的全新光纤型 B r a g g光栅,成栅后的光纤纤芯折射 率呈现周期性分布条纹并产生 Br a g g光栅效应,其 基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤 波器,满足如下光学方程:=2 n A(1)式中:为 B r a g g波长;八为光栅周期;为光纤 模式的有效折射率。长周期光纤光栅是一种特殊
14、的光纤光栅,其传 光原理是将前 向传输的基模耦合到前向传输的包层 模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引 起人们的重视,是一种新型的宽带带阻滤波器。2 光纤温度传感器在电力系统中的应用 电力系统中大量设备需要检测温度信息,从而 确定电力设备的运行情况,以便运行调度人员及时 采取措施,消除异常,避免设备的损坏和事故的发 生I】“J。早期通过示温蜡片、数字温度传感器、红 外温度仪等获取电力设备温度信息。但是示温蜡片 与红外测温仪需要人工巡查,不能满足现代数字化 电力系统的要求。数字温度传感器大多基于电量传 送,受电磁场影响较大,只能测量关键点,有一定 的局限性。光纤温度传感器则克服 了以上缺
15、点与不 足,具有通信迅速、报警设置灵活、适应恶劣环境 等优点。目前,光纤温度传感器在电力行业中基本的应 用模式如 图 2所示,现场工程机 1为基于分布式光 纤温度测温仪,现场工程机 2为基于光纤光栅测温 仪,多台工程机可通过网络将数据上传到集控室的 上层机构成测温系统,实现集中控制显示。其主要 内容包括:1)分布式光纤或者光纤光栅作为温度传 感器紧贴在电气设备上;2)通过采集光信号进行相 应计算得到温度分布;3)开发与设备相应的分析、报警软件;4)通过温度信息分析电气设备运行状态,从而保证电气设备运行在安全区域,避免事故的发 生。在国内外,主要有以下几个应用领域。图 2光纤温度传 感器在 电力
16、系统应用示意图 Fi g 2 Sc h e me of a p pl i c a t i o n of t e mp er a t u r e mo ni t or i ng o f op t i c fi b e r s e n s o r i n e l e c t r i c p o we r s y s t e m 2 1电厂温度监控 光纤温度传感器代替传统的温度传感器实现电 厂某些关键设备的温度监测是当前的研 究热 点问 题。主要有:(1 1利用光纤光栅实现汽轮机 内湿蒸汽的湿度 与温度测量,若采用多点监测可动态确定汽轮机 内 温度场和湿度场的分布。(2 1同步调相机转子温度的测量。
17、f 3)光纤温度 压力混合传感器用于核电站第 四 代反应堆(Ge n I V)高温、压力监测,可实现系统安 李强,等 光纤温度传感器在 电力系统 中的应用现状综述 一 1 3 7 一 拿监 测【j。(4)水电站人坝温度监测,目前已有很多现场 应用的实例,如分布式光纤 测系统存长调水 电 站、景洪电站f l 6 、云南大理小湾拱坝 等的应用。2 2电缆隧道火灾监控 发电厂和变电站 内火量的高压电气设备都是通 过 电缆连接的,这些电缆都敷设在厂房或变电站下 的电缆隧道。t 于电缆隧道环境比较恶劣,且电缆 数量较多,容易由于 根电缆的绝缘损坏、局部放 电而引起大面积的火灾事故,造成严重的经济损失。针
18、对电缆隧道易发乍火火的情况,传统的预防措施 主要有:1)使用阻燃电缆或者电缆加涂阻燃层;2)隔层之间填充阻燃泥;3)在 电缆隧道中通过感温电 缆实现温度报警:4)电缆隧道 中定距安装悬挂定温 式的 自动灭火器等 l j。以上措施并不能及时发现火 灾隐忠和防 j _ I 火灾事故的发生。分布式光纤温度监控系统是近年来应用于电缆 隧道监测的 种新技术,它通过在电缆隧道中敷设 一条光纤即可实现多条电缆的温度检测与整个 电缆 隧道的火灾报警l I 引。总的来说,分布式光纤测温系 统应用到电缆隧道火灾舱拧的优点有:1)实时检测 光纤沿线温度,测温准确,分辨率较高。按测温距 离与测温精度的不同,一 般全线
19、温度更新速度最短 1 O s 左右。2)存储历史温度数据用于作进 步分析。3)报警等各项指标设置灵活,町实现多条件报警设 置。日前已有不少成功应用的案例,如存韶关电厂、宁夏 嘴山发电、南京扬子石化热电厂、济南钢 铁等 2 0-2 2】。2 3高压电力电缆负荷安全监测 温度作为高压电力电缆的个重要的运行参数 越来越受到人们的重视。通过数字传感器的方式只 能实现对电缆接头等重要部分的温度监测。因 此,近年来人们对 一 螋重要的高压动力电缆应用分 布式光纤温度监测系统 2 4-2 6】和光纤光栅测温系统实 现 电缆温度监控 2 7-2 9 。分布式光纤测温根据光纤安置往电缆上位置 分为内置式与表贴式
20、两种。内置式所测温度基本等 于 电缆缆芯温度,但其需要特殊生产,且敷设复 杂L 3 。目前研究比较多的是表贴式光纤测温系统在 电力电缆上应用。光纤测温系统测得电缆表皮温度后,结合实时 电流计算 出电缆线芯温度,可进 步推算出动态载 流量并模拟各种运行状态【3 】。电缆温度监测可以 在电缆全长度范同内发现过热点和异常行为点,包 括快速升温点和慢性升温点等,能发现限制 电缆载 流量的瓶颈点的温度 与位置信息,预防电缆故障的 同时为电力调度提供科学依据。2 4变压器绕组温度监测 电力变压器的内部故障主要是过热性故障,研 究变压器的过热故障具有很大实用价值【3 。变压 器的寿命与电力变压器绕组温度有一
21、定关系【j 制。变压器绕组温度测量方法主要有三种:1)基于 电信 号的数字传感器测温;2)红外温度传感器测量;3)光纤温度传感器测量。利用光纤温度传感器测量 又分为荧光光纤测温 仪 3 7-3 8】和光纤光栅温度传感 器。光纤光栅传感器测温是将光纤光栅粘贴在变压 器绕组上测量绕组温度。通过对变压器绕组的连续 监测,能掌握变压器工作状态以及了解设备的缺陷 和退 化情况 j 。2 5高压开关柜温度监测 高压开关柜用来开闭电力线,是实现输送、倒 换电力负荷,退出故障设备和线路的关键设备。在 长期的运行过程中,开关柜触点和母线连接处容易 老化、松动和接触电阻过大而引起局部发热严重。开关柜过热如若发现不
22、及时往往容易导致火灾事 故,造成大面积停电等。对全封 闭的高压开关柜实 现在线实时温度监测,提前发现和排除隐患,对保 证安全可靠供 电具有重要的意义 圳。应用分布式光纤温度传感器和光纤光栅温度传 感器对高压开关柜的温度监测是当前的一种新的温 度监测方法,能避免强 电磁场的干扰,且耐高压、耐辐射,能有效提高高压开关柜的可靠性【4 卜 4 引。尤 其光纤光栅温度传感器在变 电站开关柜中的应用越 来越广泛,如在天津天辰变电站、上辛口变电站等。3 光纤温度传感器在 电力系统 中应用现状 分析 光纤温度传感器作为一种新型的测温技术发展 卜 分迅速,应用也越来越广泛。在电力系统中应用 也得到了较好的发展,
23、但存在以下几个方面的问题:(1)光纤温度传感器在电力系统中的一些应用 尚处于初步尝试阶段,尚需要开发温度与设备运行 状态等的关系模型,从而更好地利用温度信息。目 前在电缆监测上有缆芯温度计算模型、动态载流量 模型。(2)光纤温度传感器在价格上的劣势制约了其 在电力系统中的推广应用,价格太高使得在某些应 用场合监测的实际意义不大。(3)光纤在某些电气设备上的敷设较为困难,最好能在敷设方式和敷设工艺等方面形成业内认可 的施工指导与标准规范。(4)目前生产光纤温度传感器的厂家基本都只 1 3 8 一 电力 系统保护与控制 具备专业研发与生产光纤温度传感器的能力,而在 电力系统领域涉足较少,缺乏开发基
24、于光纤温度传 感器的电力系统故障诊断方面软件的理论支持与经 验,难 以将系统功能扩展。4 展望 随着电力系统的发展,对电力设备的温度监测 将会越来越受到重视。光纤测温系统成本的降低以 及测温精度等指标的提高,必将促使其在电力系统 中的应用更加广泛与深入。(1)分布式温度监测系统与点式光纤光栅监测 系统相结合构造厂站温度监控系统实现发电厂和变 电站重要设备的温度监控,提供全厂(站)重要区 域温度信息,及时发现安全隐患,保证 电力安全生 产、稳定可靠运行。(2)分布式光纤测温系统与电缆故障诊断技术 相结合构造基于光纤温度传感器的电缆在线故障诊 断系统,不仅能实现电缆线芯温度实时监测和动态 载流量分
25、析,而且能将 电量信号和温度信号结合实 现 电缆 电气故障识别和定位。(3)随着分布式光纤测温系统长距离监测技术 的成熟,结合应力监测功能将其应用到海底电缆与 架空线路的安全监测中也是将来发展的一个方向。(4)光纤测温系统用于其它 电力设备的温度监 测,如变压器、绝缘子、熔断器、绝缘套管、电容 器和高压 电动机等等,并可结合电气设备特征开发 出相应的状态监测、性能评估和故障诊断系统。参考文献 1 黄惠智,杨中山,徐善纲光纤传感器的发展及其在 电力 系统 中的应 用 J 电工 电能新技 术,1 9 9 0,3:2 7 3 3 HUANG Hu i z h i,YANG Zh on g-s h a
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