光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述

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。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。本文对电力系统温度监测的基本内容进行了概述，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70 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。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。

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。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。在国内外，主要有以下几个应用领域。

       2.1 电缆隧道火灾监控

       发电厂和变电站内大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。由于电缆隧道环境比较恶劣，且电缆数量较多，容易由于一根电缆的绝缘损坏、局部放电而引起大面积的火灾事故，造成严重的经济损失。针对电缆隧道易发生火灾的情况，传统的预防措施有：

       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。

       以上措施并不能及时发现火灾隐患和防止火灾事故的发生。光纤温度监控系统是近年来应用于电缆隧道监测的一种新技术，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。总的来说，光纤测温系统应用到电缆隧道火灾监控的优点有：

       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，一般全线温度更新速度最短10s 左右。

       2）存储历史温度数据用于作进一步分析。

       3）报警等各项指标设置灵活，可实现多条件报警设置。目前已有不少成功应用的案例，如在韶关电厂、宁夏石嘴山发电厂、南京扬子石化热电厂、济南钢铁等。

       2.2 高压电力电缆负荷安全监测

       温度作为高压电力电缆的一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，近年来人们对一些重要的高压动力电缆应用光纤温度监测系统实现电缆温度监控。电缆温度监测可以在电缆全长度范围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。

       2.3 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。变压器的寿命与电力变压器绕组温度有一定关系。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。

       2.4 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。应用光纤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。光纤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十分迅速，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，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）点式光纤监测系统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）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）随着光纤测温系统监测技术的成熟，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。