四方电力系统监测手册10253.docx

四方电力系统监测手册10253.docx

《四方电力系统监测手册10253.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四方电力系统监测手册10253.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

四方电力系统监测手册10253

四方光电电力系统监测技术说明书

目录

一、光纤光栅传感技术简介...................................................................................................................-2-

二、光纤光栅开关柜及母线接头温度在线监测系统方案设计...........................................................-5-3.1概述.............................................................................................................................................-5-3.2光纤光栅开关柜及电缆接头温度监测系统介绍....................................................................-7-

三、DTS分布式光纤监测系统介绍及应用........................................................................................-15-4.1DTS分布式监测系统简介......................................................................................................-15-4.2DTS分布式光纤监测系统原理及特点..................................................................................-15-4.3DTS分布式光纤温度监测系统介绍......................................................................................-17-

四、工程业绩.............................................................................................................错误!

未定义书签。

一、光纤光栅传感技术简介

传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的,前者的信息读取是测量光强大小,因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度,典型产品有基于OTDR技术的分布式光纤测温系统;后者的信息读取是观察干涉条纹的变化,这就要求干涉条纹清晰,而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等,使光纤光路的灵活和连接的方便等优点将大打折扣,而且它是一种“过程传感器”而不是“状态传感器”必须要有一个“固定参考点”,这样就给光纤传感器的应用带来了难度,典型产品有加拿大FISO公司基于Fabry-Pérot干涉仪技术的光纤温度、应力变形测试仪。

北京四方继保自动化股份有限公司所开发的光纤光栅（FiberBraggGrating传感技术是上世纪末期开始发展并得到国内外广泛应用的一种世界上最先进的光纤数码传感技术。

其实现原理是:

直接在石英单模光纤上制作多个光栅,封装保护后形成光纤传感链,可高精度地同时测量温度、应变、压力、位移等多种物理量。

由于光纤传感链中传感器和传输线是合一的,均为石英单模光纤,唯一的区别在于传感器是石英单模光纤中经过加工、处理、封装、保护的局部一段长度（一般为10mm左右。

所以,光纤光栅传感技术最主要的优点就在于现场不供电,免受雷击损坏和电磁干扰;此外,由于光纤光栅温度在线监测仪采用并行光谱探测技术,系统中所有感温探头的单次同步扫描时间小于一秒钟,加之感温探头的快速导热封装,使得开关柜及电缆接头温度监测系统能够在事故隐患产生时提前预警,有效避免事故的发生。

光纤光栅传感技术特点

◆技术先进:

不是简单地使用光纤直接进行量测,而是采用世界上最先进的光纤数码传感技术,在石英光纤上制作多个光栅,封装保护后形成光纤传感链,具有极高分辨率

◆产品可靠:

在国内外各领域大量重大工程中成功应用,有众多用户使用报告◆完善的产品认证:

通过中国计量科学研究院、国家消防电子产品质量监督检验中心、中国电力科学院、石油和化学工业电气产品防爆质量监督检验中心等国家权威机构认证。

◆全光型:

光纤探测并直接进行信号传输,现场不需供电,不受电磁干扰,不受雷击

◆高精度:

在所有类型光纤传感器中具有最高的测量精度,指标优于传统的测温传感器

◆事前预警:

可在1秒钟内完成上万个监测点的数据采集,在设备过热、火灾发生前预警

◆无零漂:

绝对量测量。

光源衰减和线路损耗不影响测量精度,无需现场率定◆布线简洁:

支持线形、多级星形及混合方式组网,施工快捷。

避免了光纤缠绕、迂回方式布线引入的污闪、爬电及高压侵入等隐患

◆不降低被监测设备的安全等级:

感温探头和传输光纤高绝缘、高耐压、防爬电、阻燃

光纤光栅的制作原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性:

即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化,用紫外激光直接写入法在单模光纤（直径为0.125mm~0.25mm的纤芯内形成的空间相位光栅,其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。

其制作方法如图1所示:

图1光纤光栅制作原理

制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为10mm左右的敏感区,可以准确感测温度、应力的变化。

光纤光栅的测量原理

光纤光栅属于反射型工作器件,当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时,它与光场发生耦合作用,对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光,并沿原传输光纤返回;其余宽带光则直接透射过去。

见图2。

图2光纤光栅测量原理

反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度而线性变化,从而使光纤光栅成为性能优异的温度测量敏感元件。

透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列,其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射,全部沿原传输光纤返回。

由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。

光纤光栅的上述特性使之成为电缆接头温度在线监测及火灾探测的最佳选择。

宽带入射光剩余宽带透射光

窄带反射光

二、光纤光栅开关柜及母线接头温度在线监测系统方案设计2.1概述

2001年,上海供电局因高压开关接头过热引起隧道火灾,大面积电缆被烧损,导致市区大面积停电事故,造成损失近千万。

2003年,河北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。

……

据统计,供变电故障主要出现在以下几方面:

•电厂及变电站中高压开关柜的三相电路温度及刀闸温度异常。

•电厂和变电站的高压电缆、电缆端头、中间头的温度异常。

•电厂中发电机组及汽轮机等大型机械的轴温温度异常。

通过事故的分析,电力行业的专家提出:

导体和绝缘是电力系统中不可缺少的两部分,必须加强导体监督。

导体是电力系统的动脉,导体（如线路金具、导线、接头等的性能直接决定电力系统安全和送电性能。

长期以来,电力系统一直比较重视绝缘监督,绝缘事故越来越少,而对导体监督就缺乏有力的管理和技术上的监测手段,对导体的运行水平就不如绝缘那样心中有数。

北京四方继保自动化股份有限公司研制的光纤温度在线监测系统则是一种方便有效的导体监督手段。

光纤光栅温度在线监测系统应用在电力安全监测中的必要性发电厂、变电站电气设备的各种触点、连接点,如开关触点、电缆接头、母线联接点、发电机和变压器引接线接头、电动机接线盒接头等,由于高电压、大电流的作用,易引起局部高温。

以发电厂6KV、10KV开关柜为例,抽屉式开关柜的触点在长期运行过程中,因老化、松动或污染易造成间隙或接触电阻增大,在通流时引起持续发热,严重时将造成开关柜烧损甚至引发更大的事故。

近年来,类似的事故已发生多起,已造成火灾和大面积的停电事故。

长期以来,开关柜触头的温度很难实时监测,这是因为开关柜空间有限,但柜内元件较多,且高压带电元件大多裸露,常规的温度测量方法无法使用。

普通的温度监

测方法主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现的,这种方法要么传感器本身带有金属,要么需要金属导线传输信号,在紧凑的开关柜内,要实现系统可靠的绝缘困难重重。

电气设备的过热故障可分为外部热故障和内部热故障两类:

外部热故障:

电气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。

据数据统计,可以看到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,结合监测经验,按温升的多少,可将外部故障分为轻微、一般和严重三种。

内部热故障:

高压电气设备内部热故障的特点是故障点密封在绝缘材料或金属外壳中,如电缆,内部热故障一般都发热时间长而且较稳定,与故障点周围导体或绝缘材料发生热量传递,使局部温度升高,因此可以通过监测其周围材料的温升来诊断高压电气设备（如电缆的内部故障。

红外测温虽为非接触式测温,但它易受环境及周围的电磁场干扰,目前常用的是利用手持式红外热成像仪或点测仪进行人工非在线式温度测量。

当需要在线监测时,由于红外测温探头需要与被测点保持一定的距离,探头的安装以及温度信号的传输同样非常困难,而且只测量的只是一个辐射值,测量误差大。

光纤光栅温度传感器采用光纤光栅作为测温敏感元件,由于光纤具有优异的绝缘性能,可直接将传感器安装到开关柜内的裸露触点上,并方便地将测量信号传输至开关柜外,实现触点运行温度的在线监测。

光纤光栅温度在线监测系统采用光纤光栅温度传感器进行温度的传感,采用光纤传输温度信号,使系统的介质实现了全光纤化,由于光纤固有的高绝缘性和抗电磁场干扰性能,从根本上解决了上述难题。

光纤光栅温度在线监测系统具有极高的安全性、可靠性和测量精度,安装施工方便,对温度量进行全数字化处理,具有通信功能,既可自成系统,也可方便地接入其他系统,如DCS、ECS、SIS或MIS等。

2.2光纤光栅开关柜及电缆接头温度监测系统介绍

北京四方继保自动化股份有限公司引进的光纤光栅开关柜及电缆接头温度监测系统使用光纤作为感温元件和信号传输介质,为提高光纤对温度的敏感程度及准确定位能力,采用国际最先进的光纤局部加工技术,在普通单模光纤上制作一系列的温度敏感区——光纤光栅,这些敏感区可以精确、灵敏地探测到周围温度的细微变化,而光纤的其他部分只是用于信号传输,对机械应力和环境干扰不敏感,从而保证整个光纤光栅感温探测系统的高灵敏性和低误报率。

光纤光栅感温探测系统主要由光纤光栅温度在线监测仪、光纤光栅测温计、光纤组成。

其基本原理是利用光纤光栅测温计内部敏感元件——光纤光栅反射的光学频谱对温度的敏感特性,通过光纤光栅温度在线监测仪内部各功能模块完成对光纤光栅测温计的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算,以数字方式给出各监测点的温度信息,并根据预先设定的报警温度设定值和报警温升速率实时给出过热预警和火灾报警信号。

图1光纤光栅感温火灾探测系统

【系统技术指标】

表1Esaf1000光纤光栅温度监测系统技术指标

【主要产品介绍】

FBGT100单端电力温度传感器（适用于开关柜触头

采用光纤光栅为测温元件,多个光纤光栅测温计之间直接通过光纤相互并联,进行组网。

其主要作用为:

监测被测开关柜触头的表面温度,实时传递温度及火灾报警信息至光纤光栅温度在线监测仪。

表2FBGT100单端电力温度传感器性能参数列表

FBGT200串接式光纤光栅测温计（适用于母线接头

采用光纤光栅为测温元件,多个光纤光栅测温计之间直接通过光纤相互串接,形成传感链。

其主要作用为:

监测被测电缆接头的表面温度,实时传递温度及火灾报警信息至光纤光栅温度在线监测仪。

表3FBGTS200串接式光纤光栅测温计

Esaf-1000型光纤光栅温度在线监测仪

Esafe-1000光纤光栅温度在线监测仪专用于电力行业及相关领域大容量、高精度测温,可选配北京四方继保的各种类型光纤光栅温度计和感温探头,单台设备的最大的监测点数可达1152点,所有监测点的单次扫描时间为1秒钟。

表4Esafe-1000型光纤光栅温度在线监测仪

典型应用:

根据Esafe-1000系统的组网特点,系统内部组网应遵循以下原则。

单通道容量

光纤光栅温度在线监测仪的每个通道最大容量为:

双头出纤的传感器可串接18个,单头出纤的传感器可串接12个。

双头出纤传感器布设

双头出纤的传感器应采用串联方式连接,一般用于电缆接头、高压母线的温度监测,布设方式如图3所示。

图2双头出纤传感器布设图

单出头传感器布设

单头出纤的传感器应采用星形方式布设,一般用于高压开关、高压开关接线头、空间狭小的位置以及需特殊处理等位置的监测,布设方式如图4所示。

传感器单芯光纤○1一分三光路盒○2一分六光路盒

图3单头传感器布设示意图

开关柜触头温度在线监测系统方案设计

监测方案说明

采用FBGTS100探头式光纤光栅测温计和光纤光栅温度在线监测仪对开关柜内部触头进行分布式实时监测:

图4监测方案设计图

1、在监控室设置一台16通道型光纤光栅温度在线监测仪,可在1秒钟内同时对现场布设的180只光纤光栅测温计所采集的温度信号进行分析,发送预警或报警信号;2、每台开关柜中,在每个静触头上安装一只FBGTS100探头式光纤光栅测温计,可在1秒钟内准确感测触头温度的细微变化,分辨率小于0.1℃。

30台开关柜共布设180只光纤光栅测温计。

3、在每根母线的接头（如开关柜与母线的连接处及重点易过热部位可选择性地布设光纤光栅测温计,确保全系统的安全供电,共计18只。

图5传感器安装示意图

4、系统以电子地图准确显示各监测点及附近区域的当前温度值、报警状态及历史温度曲线,并可结合各条电缆的电流\电压情况给出负荷—温度曲线。

5、系统的主要材料是光纤,避免了开关柜内强大的电磁干扰,完整安全地把数据传送至监视终端。

光纤的护套采用杜邦公司生产的特富龙材料,不仅耐高温、耐高压,具有极高的绝缘强度,而且还防止灰尘聚集,避免了爬电的可能。

因此,该系统是一种高可靠性的分布式在线监测系统。

系统软件功能

【火灾自动报警】

光纤光栅火灾自动报警系统自动对光纤光栅测温计所在区域进行实时温度巡检,监测现场温度的异常波动,在火灾发生前及时报警。

【监测点定位】

光纤光栅火灾自动报警系统的液晶显示屏以电子地图方式实时显示各电力设备及相应温度监测点的编号和当前温度值以及实际地理位置,方便管理人员操作和维护。

【状态查询】

各个监测点的温度和报警信息都保存到光纤光栅温度在线监测仪的大容量储存器,系统按照时间将数据分为历史信息、实时信息,并且管理操作人员可以根据不同

的时期动态调整监测点的实时状态监测时间间隔,满足实际要求。

管理操作人员可查看各监测点的历史温度变化曲线,为决策和维护提供数据支持。

【报警设定】

管理操作人员可对光纤光栅温度在线监测仪的报警触发条件进行设定,以适用不同季节气温条件下电力设备实际运行温度的差异。

系统出厂设定的报警触发条件为:

【温度统计】

可实时给出设备最高温度值及对应监测点的位置编号和地理信息。

【系统连动】

可通过光纤光栅温度在线监测仪报警接口输出开关量直接接入仪表操作室现有的火灾控制器,实现火灾报警并在消防值班室显示;同时光纤光栅温度在线监测仪可直接外接两只声光报警器在仪表操作室给出火灾声光报警及光纤光栅测温计故障报警。

【线路巡检及故障定位】

可通过光纤光栅温度在线监测仪独有的“光纤光栅传感网络分析仪”功能,对光纤传输线路的损耗及断点位置进行准确定位,方便系统调试、维护及线路检修。

四、DTS分布式光纤监测系统介绍及应用

4.1DTS分布式监测系统简介

DTS分布式光纤温度监测系统一般用于传输电缆的监测,该系统利用光纤感测信号和传输信号,采用先进的OTDR技术和Raman散射光对温度敏感的特性,探测出沿着光纤不同位置的温度的变化,实现真正分布式的测量。

分布式光纤温度传感器系统是近年来发展起来,用于实时测量空间温度场的系统。

系统中光纤即是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向拉曼散射的温度效应,光纤所处的空间温度场调制了光纤是背向拉曼散射的强度（反斯托克斯背向拉曼散射光的强度,经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光信号,经信号处理可以解调出实时的温度信息。

在时域中,利用光时域反射技术（OpticalTimeDomainReflection,根据光在光纤中的传输速率和背向拉曼散射光的回波时间,可以对温度点进行定位。

4.2DTS分布式光纤监测系统原理及特点

系统原理

DTS分布式光纤监测系统的基本原理是:

激光器发出脉冲光通过波分复用器进入探测光纤,光纤内分子及不均匀的杂质对入射的激光脉冲有散射作用,入射光脉冲沿着光纤向前传输,散射光向四周传输。

只有沿光纤后向传输的散射光会传输到波分复用器,再到达探测器。

原理图如下所示。

DTS分布式光纤温度监测系统原理图

后向散射光中有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等,拉曼散射光包含有两种成份:

斯托克斯光和反斯托克斯光。

斯托克斯光的频率比入射光频率低,反斯托克斯光频率比入射光频率高,斯托克斯光只与光纤的损耗、应力、拉力、弯曲、挤压等因素有关,受温度影响很小,可以忽略不计;反斯托克斯光除受光纤的损耗、应力、拉力、弯曲、挤压等因素影响外,还与温度有很大关系,光纤的温度越高,反斯托克斯光越强。

通过波分复用器和带通滤光片可以分离出后向散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光,分别采集两路光信号的强度,用反斯托克斯光强与斯托克斯光强相比,就可以得到只有温度高低有关的信号。

经波分复用器分离出的两路光信号,分别由雪崩光电二极管将光信号转换为电信号,再经放大器对电信号放大,送到数据采集卡进行累加平均,便得到精确的光强度量化值。

光在光纤中以一定的速度传播,通过测量入射光和后向散射光之间的时间差,及光纤内的光传播速度,可以计算不同散射点的位置距入射端的距离,从而可以得到光纤沿程几乎连续的温度分布。

只要通过探测器测得、及光在光纤在传播时间,便可求得某一点的温度值。

系统特点

光纤感温监测系统可以准确地测量整根光纤上成千上万点的温度和位置信息。

系统使用光纤作为传感器,光纤固有的优良特性使得DTS系统有很多先天的优点:

1、在分布式光纤探测系统中,光纤既是传感器又是通讯通道,不再需要其它的电子或测量装置;

2、一根光纤能够提供上万个测量点的信息,安装快捷简便且成本低廉,几乎无需维护;

3、光纤具有耐高温（能够承受超过1000℃的高温、抗腐蚀、抗雷击和长寿命的特质,适用于各种复杂有害或恶劣环境;

4、光纤具有抗射频和抗电磁干扰的特质,适用于高压设备;

5、光纤具有无静电、无辐射的特质,不会产生电火花,适用于易燃环境;

6、光纤本身轻细纤柔,光纤传感器的体积小,重量轻,不仅便于布设安装,而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小,能实现无损埋设等。

4.3DTS分布式光纤温度监测系统介绍

DTS分布式光纤温度监测系统由以下部分组成:

1、工控主机

功能:

对各个温度监测主机采集的温度信号进行实施处理,可以实时观测各条电缆的实时温度曲线,历史温度数据,图表分析数据等。

2、温度监测主机

功能:

实时采集电缆温度数据。

3、测温光缆

功能:

现场敏感元件。

4、工程辅材

（1扎带:

固定光纤用。

（2光纤接线盒:

保护光纤与跳线熔接点用。

（3光纤跳线:

连接光纤测温主机与测温光纤用。

5、组态软件

功能:

显示电缆实时温度曲线、报警信息、历史数据、分析报表等。

6、分析软件

功能:

采集光信号,并将其转换为温度信号。

DTS系统连接图

DTS系统结构图DTS温度分布曲线图

-19-