光纤光栅电力设备安全状态监控系统
北京明堂华宇光电科技有限公司
产品介绍
一、应用背景
随着我国经济的发展，电力系统正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向发展，电力系统的安全运行对整个国民经济的发展来说是极为重要的,一旦发生事故则损失巨大。

现代电力系统中的电气设备大多采用封闭式结构，散热效果差、热积累大，并长期处于高电压、大电流和满负荷运行，结果造成热量集结加剧，温升直接威胁电气设备的电气绝缘，初始表现为温度升高，进而引发短路，导致大面积电缆烧损，造成被迫停机，短时间内无法恢复生产，甚至引起火灾，造成重大损失。

电力系统中的发电机绕组、变压器绕组、高压开关柜内触头和电力电缆接头等热点的温升会使电力设备寿命缩短，甚至造成相关设备被烧坏的严重事故。

因此，对电力设备进行精确的、实时的温度监测与报警对于提前发现安全隐患和及时的采取应对措施具有重大意义。

电力工业中的设备大多处在强电磁场中，一般电器类传感器无法使用。

高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时检测都要求绝缘性能好，体积小。

光纤光栅传感器具有本质安全、抗电磁干扰、体积小巧、易于安装等独特的优点，非常适于电力系统中高电压、大电流环境下的各种热点温度的监测。

采用新型的光纤光栅温度传感系统能够实现对电力系统中发热节点的实时远程监控，解决日益增多的无人值守配电室中运行设备温度参数无法测量的问题。

通过实时监测电力热点的温度变化,在温度超限或温升速度达到超限时能及时报警,并对发热点快速定位，通知运行人员及时处理，对确保电力系统运行安全、避免经济损失有着非常重要的意义。

二、主要应用
2.1监测电缆接头温度
现在全国发生的电力电缆故障中80%以上是由于电力电缆附件故障引起的,其中电缆接头引起的事故占一半以上。

通过对电力事故分析，引起电缆沟内火灾发生的直接原因是电缆中间头制作质量不良、压接头不紧、接触电阻过大，长期运行所造成的电缆头过热烧穿绝缘，最后导致电缆沟内火灾的发生。

电缆故障引起的火灾导致大面积电缆烧损，造成被迫停机，短时间内无法恢复生产，对社会造成重大经济损失。

例一：辽宁发电厂发生过电缆头过热引起火灾，当消防人员扑灭火灾后刚要离开现场时电缆头绝缘击穿，大火复燃，当场烧伤数人，造成群伤事故。

例二：富拉尔基电厂，试验人员查找电缆故障时，上午采用了电容击穿法进行查找，中午休息后，电缆沟内发生了火灾，造成重大事故，火灾发生的时间较长，
如配置电缆在线监测系统完全可以避免事故。

例三：浑江电厂＃2循环水电缆中间头过热，烧损该沟内所有电缆造成被迫停机事故，据了解，上午有人在距故障电缆中间头80多米远的竖井上已嗅到了绝缘烧焦的味，下午七点钟引发了火灾。

例四：某发电厂两台二十万发电机组，因一台机的循环水电缆中间头过热引燃烧穿了本机的另一条循环水电缆，同时烧损了另一台机的循环水电缆，造成两台二十万机被迫停机事故。

综上所述，从电缆头过热到事故的发生，其发展速度比较缓慢、时间较长，通过电缆温度在线监测系统完全可以防止、杜绝此类事故的发生。

2.2监测开关柜温度
发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电气设备。

此类设备的外部热故障主要指裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高，接触点氧化引起接触电阻增大，恶性循环造成隐患。

此类故障占外部热故障的90%以上。

统计近几年来检测到的外部热故障的几千个数据，可以发现线夹和刀闸触头的热故障占整个外部热故障的77%，它们的平均温升约在30度左右，其它外部接头的平均温升在20-25度之间，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致火灾事故。

高压设备刀闸等部位的连接是否紧密，开关表面是否氧化腐蚀、紧固螺栓是否松动等问题都无法在运行时发现，而这些都是造成高压设备过热甚至出现严重事故的诱因，可以通过对温度的在线监测来避免事故的发生。

近年来，在电厂和变电站已发生多起开关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电，解决开关柜过热问题是杜绝此类事故发生的关键。

例一：某变电站开关柜发生爆炸，造成钢铁厂两座高炉和两座转炉等主要生产车间大面积停电，损失惨重。

另外，7000多名住户停水停电。

例二：某钢厂的中部站高压开关柜过热爆炸，导致了该钢厂的50吨炼铁高炉停转，近三十吨的钢水凝固在炉中，直接经济损失高达数千万元。

例三：某电力厂两个降压２５８９开关柜着火，全站失电，给公司各个系统造成不同程度的影响。

通过监测开关柜内触点温度的运行情况，可有效防止开关柜的火灾发生。

但由于开关柜内狭小的结构，无法进行人工巡查测温，因此实现温度在线监测是保证高压开关柜安全运行的重要手段。

三、光纤光栅温度传感系统原理
光纤光栅技术于1978年问世，当用紫外激光光束照射光纤，被照射区间段纤芯的折射率将发生周期性的变化，称此折射率变化区域为空间相位光栅（空间相位周期性分布的光栅），其实质类似一个窄带滤波器或反射镜，对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与光栅区调制相位相匹配的窄带光，如上图所示
由于温度变化，光纤热胀冷缩使得布拉格光栅条纹周期发生变化，从而引起反射光波波长的变化。

在无应变情况下，布拉格光栅温度变化与波长变化成线性关系。

通过检测反射光波的变化，得出光栅处温度场的变化。

四、光纤光栅温度传感系统相对于原有检测方法的优势
原有检测方法主要有两种，一、红外测温仪人工巡检法，其优点为非接触式检测；检测精度高，也有很多的缺点如：难以做到检查的一贯性；无法实现实时性在线监测；无法实现历史数据的积累与分析；现场检查具有一定危险性及人员巡检过程中存在漏检等。

二、热电偶、热电阻监测法，此方法可实现实时在线监测，但是本身带电，形成隐患极易受到电磁干扰、传感器工作发热，产生零漂；受导线电阻影响，数据可靠性不强；信号衰减快，传输距离近等。

光纤传感监测系统的传感单元和信号传输介质均为石英材质的光纤，由于光纤固有的高绝缘性和抗电磁场干扰性能，从根本上解决了传感监测系统的抗干扰、绝缘性、耐久性、耐潮湿、防腐和抗辐射等传统电子传感器无法克服的技术难题。

光纤在线监测系统以其极高的安全性、可靠性、高测量精度、传感器无需供电、安装施工方便和易于组网测量等独特优点适用于电力系统安全运行监测中。

五、与国内外同类产品的比较
5.1性能比较：
国内外的光纤电力安全监测的产品主要是准分布式的光纤光栅传感和全分布
式的光纤拉曼测温传感系统。

我们采用全新的扫描激光技术，克服了一些电力测温厂家采用的国外模块组装的测温系统的测量通道少、传感器数量有限、测量通道需要机械的光开关切换、巡检时间长和无法同步测量等关键问题。

能够实现多测点同步测量，巡检速度快，预警及时。

5.2价格比较：
国外产品价格昂贵，多通道高速解调产品的价格多达30-40万元，在多测点应用时还需要昂贵的光开关阵列，完全不适于推广应用。

本公司产品从底层的硬件开发的光纤传感系统，具有自主的知识产权，成本大大低于国内外的同行，具有推广应用的潜力。

工程案例
一、 系统框图
系统各部分的功能描述：
光纤光栅温度传感器：布置在高压开关柜内，采集温度信号。

分布式测温光纤：沿电缆线铺设，采集电缆温度信息。

光纤光栅信号解调系统：对温度信号进行解调，提供现场温度的实时信息。

GPRS/网络：通过互联网把系统解调出的数字信息上传到服务器，出现温度超
阈值时，发送短信给工作人员
上位机：给整个系统的运行提供软件支持，进行温度实时显示及报警输出。

二、 施工案例
耐高温胶
传感器
传感器尾纤
待测温点
光纤光栅温度传感器固定示意图：正视图（左）、侧视图（右）
缠绕光纤长度大于24cm 传感器布置侧视图传感器
安装在梅花静触头铜排背面,不影响柜子内部整体结构和占用空间小,安装方便
母线室是全密封
型，外面很难监
测到，光纤光栅
就很容易实现在
线监控，光缆本
身绝缘，不影响
设备维护。

根据我们的工程案例数据得知，电缆进线处的温度比较容易升高,温度高引起事故率较多。

三、开关柜传感器的数量
单个开关柜内测温点分布（建议）：
进线及出线柜12个点：包含静触头（6个点）、电流互感器（3个点）电缆进线（3个点）
PT柜6个点：包含静触头（3个点）、电缆进线（3个点）
分段柜6个点：包含静触头（3个点）、铜排连接处（3个点）
案例：一组开关柜安装明细表
四、系统设备清单
五、本系统在安装完毕后，能够达到以下目标：
温度监测系统不受高压磁场和环境因素的干扰，达到或超过耐压运行标准，确保对供电系统运行安全的无妨碍。

光纤感知温度和位置信息；传输温度信号；系统本质安全；传感网络分析仪对温度信息进行采集；
通过软件对温度信息解调；数据记录、保存，可以根据实际情况设定不同地点的定温及差温预警值、火警值、报警级别、起始位置、终止位置及地理位置名称；
通过软件，可以进行数据查询：温度点查询、报警纪录查询、按区间查询、历史数据查询。