光纤光栅智能开关柜温度监测系统解决方案

1、简介

电力设备在正常工作都会产生发热现象。线路、设备等的连接处由于环境影响,加工工艺等原因使连接部分压接不紧、压力不够、触头间的接触部分发生变化等引起接触电阻变大,发热现象会更加明显。长期如此会加速电力设备线路等的老化,引起电力设备的绝缘性能下降,严重的还能触发电弧短路,降低设备使用寿命,引起重大的电力事故。尤其是隔离开关活动的动、静触头部分、主变引线、电缆头发热现象比较突出,故障率高,每年均有此类问题发生。目前监视方法仍靠工作人员定期完成的,费时费力,工作效率极低,而且不能及时发现潜藏的隐患,有些电力设备的焊点与接头位于不便触及的里端,这又给检测人员带来了极大的不便。

我公司提供的智能开关柜温度监控系统是利用光纤光栅传感网络来实现的,光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式,多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起,并通过同一个光电终端来控制和协调工作,从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。

为了让用户与系统通讯更方便,终端控制单元可以直接连入局域网。用户也可以选择使用自带的光纤安全网络来达到系统的连接和通讯。每个报警处理单元都有一个RJ-45接口,用于TCP/IP网络的连接。数据通过XML通讯协议传输。

2、技术途径

光纤光栅传感网络的核心器件是光纤光栅,光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成永久性空间的相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射,其余的波长透过光纤光栅继续传输,反射波长和光栅周期的关系如为:λ= 2nΛ,其中n为光纤芯的折射率,Λ为光栅的周期。

温度的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化,从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化,就可以获得相应的温度信息。因光栅栅距和折射率变化导致Bragg波长是随时变化的,因此Bragg波长对于外界热负荷极为敏感。温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的,因此温度由膨胀系数变化来分离计算出来。

典型的光纤光栅传感网络结构如图所示,其基本功能部分可概括为:光发射和接收终端,传输线路,传感器阵列和信号处理系统四个部分。

3、系统优势

长盈通公司提供的智能开关柜监控系统,是利用光纤光栅技术发展起来的光纤光栅传感网络,它不受电磁干扰,具有其独特的优点:

(1)光纤光栅具有非传导性、抗腐蚀、体积小、重量轻、强度高和弯曲性能好等特点,能够在恶劣或高危险环境中工作,光纤具有耐腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性,通常可以服役20年;

(2)光纤具有轻巧柔软的特点,可以在一根光纤中写入多个光栅,构成传感阵列,利用复用(波分、时分、空分等)技术,实现对应变的多点分布式测量;

(3)光纤光栅传感器测量信息是波长编码的,普通的光纤传输不会影响传输光波的频率特性,同时光源光强的波动、光纤微弯效应等引起的随机起伏以及连接器耦合损耗、光波偏振态的变化等都不可能影响传感信号的波长特性,因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性、稳定性及抗干扰能力。

(4)光纤光栅传感器的信息载体是光,以波长为检测对象具有非常高的传感精度,同时有效的运用具有高分辨率的光电仪器,可实现对温度的高灵敏度、高分辨率的检测。测量精度为±0.5℃,分辨率为0.1℃。通过光纤传输可达40km,可满足绝大部分监测场合的需求。

(5)能够实现不间断在线监测、全年 365×24 小时不间断的安全守护,实现真正的无人值守,节省人力,也从根本上杜绝人员疏忽导致的事故。及时发现电缆、电缆隧道、高压开关柜、变压器、互感器等电力设备的过热趋势,发出预警信号,避免重大故障的发生,防患于未然。

(6)系统具有多种报警方式,当发生报警时,主监控计算机能自动弹出报警窗口,显示出报警时间、报警测点名称和安装部位,在母线电缆测量点分布画面上,相应的测点会变色。同时发出声、光报警并打印出报警记录,提醒运行人员检查。所有的报警信息都被记录数据库中,以备查阅。

(7)系统提供完善的分析功能,包括超温分析、温升趋势分析、温度梯度分析,并能作出报警、对比、历史记录统计与分析等处理,保障在开关柜发生事故之前作出及时处理。

(8)光纤在线监测系统具备很强的线路自检功能,一旦线路因人为误操作等因素发生光纤断路,上位主机会立刻发出警报,提醒监控人员,监测系统发生短路故障,并且会提示断路的区域,便于维护人员维护。

(9)系统可与局域网、广域网等实现互联,同时数据共享,实现管理的综合自动化,可以单线多路复用,构成传感网络和阵列。

4、组件介绍

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一个完整的船舶应力监控系统包括:温度传感器(如上图)、接续单元盒、信号放大单元、远程报警单元(如下图)、系统计算机及软件和UPS电源。


指标项目

参数

备注说明

测温精度

±0.1℃


分辨率

0.1℃


测量通道

8通道(标准配置)

1~16通道(可选);

工作方式

连续实时检测

采样频率高中低三种,最高1.5KHz,标配为1Hz;

数据保存

连续运行一年数据(最少)

具有USB连接功能,随时可以取出数据;网络web发布实时数据;报警设置功能;

显示方式

6.4寸高性能TFT彩屏显示

分辨率640*480;

操作方式

触摸屏控制


传感器接口

采用标准FC/APC接口

可按照用户定制(SC,ST等);

通讯接口

10M以太网口、RS232、RS485接口


尺寸

长×宽×高=476×385×155(mm)


重量

5kg


工作环境

环境温度:0~40℃,相对湿度:≤95%


基于windows操作平台


电源

交流220 V±10%

可以配UPS电源,

方便野外操作;

5、监控测量

10kV、35kV、110kv高压开关柜的动、静触点触头及电气设备的连接头是易出故障的薄弱环节,由于该部位接触不良、插接偏心不正等原因,导致接触电阻较大,在大电流情况下该处的发热严重,其结果是接头温度异常,加剧接触面氧化,使得接触电阻进一步增大,形成恶性循环,发展到一定阶段后,则会造成严重的故障,破坏供电的安全可靠。动、静触点接头、高压电缆接头、连接器导体部分接触不良引起异常过热,加速绝缘老化导致击穿,这是高压开关柜的主要故障形式。

开关柜内一般上面三相和下面三相各安装1个探头,共安装6个探头。采用光纤光栅温度传感器则可以将其直接粘贴在接头等易发热部位上,实时监测测点温度的变化,实现故障的早期预测和报警,当发生故障时,提供报警并迅速准确确定故障点位置,并按相应预案采取安全处理措施。

如针对10个开关电柜的情况进行设计,每个开关电柜有6个测温点,因为串联有爬电问题,一般倾向于采用并联的方式。光纤光栅温度传感器安装在被测点表面,实现温度信号的采集,被测点和控制室之间采用光纤光缆进行信号传输,光纤光栅感温火灾探测信号处理器和计算机可放置在控制室内,处理器通过以太网口向计算机传送温度信号,由计算机系统实施数据处理、故障诊断、报警及控制。系统布线图见下图。