高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭溫度監測

　　在圖2 中，A、B、C三相的六個(gè)光纖光柵溫度傳感器處于高電壓側，分別安裝在靜觸頭孔徑內，而耦合器、波長(cháng)解調器、控制器以及數據處理電路都處于地電位側，安裝在控制室內，采用長(cháng)距離的光纖傳輸來(lái)實(shí)現高電壓側絕緣隔離。圖中的A1、B1、C1，A2、B2、C2是本文設計的光纖光柵溫度傳感器，分別分布在隔離觸頭的上側和下側A、B、C 三相上，在常溫下傳感器的波長(cháng)分別為1548.5nm、1550.1nm、1551.6nm、1553.5nm、1555.5nm、1557.1nm，靈敏度為0.011nm/℃、0.013nm/℃、0.011nm/℃、0.010nm/℃、0.011nm/℃、0.012nm/℃，測量范圍為0110℃;耦合器為

　　由7 個(gè)3dB耦合器組合而成的1′8耦合器;波長(cháng)解調器為采用壓電陶瓷驅動(dòng)標準具實(shí)現波長(cháng)掃描，其工作波長(cháng)范圍為15481558nm，覆蓋6 個(gè)傳感器在0110℃溫度變化時(shí)的所有波長(cháng)帶;控制器在數據處理器的控制下實(shí)現波長(cháng)解調器的掃描。

　　3.3 觸頭溫度模型

　　高壓開(kāi)關(guān)柜在運行時(shí)，觸頭、母線(xiàn)、電流互感器、柜體等構成了多個(gè)熱源，高壓開(kāi)關(guān)柜及內部各部件又構成了復雜的熱阻網(wǎng)絡(luò )[14]。在此系統中，要通過(guò)理論推導出觸頭溫升與光纖光柵傳感器溫升間的數學(xué)關(guān)系是比較困難的，因此本文通過(guò)試驗方法建立了它們之間的數學(xué)模型。

　　溫升實(shí)驗是在10kV 高壓開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行的，實(shí)驗時(shí)三相觸頭接觸正常，工作額定電流為1kA，室溫為25℃。圖3 是上隔離觸頭B 相的溫升過(guò)程曲線(xiàn)，可以看出光纖光柵傳感器測量的溫升變化要比觸頭的實(shí)際溫升變化慢，但它們的變化趨勢是相同的，大約在3h 以后溫度場(chǎng)變化趨于穩定。測量溫度與實(shí)際溫度間的差值是由于傳感器采用非接觸方式測量溫度，它依靠靜觸頭的輻射來(lái)傳遞熱量。表1 是其溫升測量數據。

　　可以看出在開(kāi)關(guān)柜觸頭接觸正常、溫度變化穩定后各個(gè)觸頭的實(shí)際溫升值DTC 與對應的傳感器溫升值DTS之間的比例關(guān)系都在1.43 附近，取其平均值作為試驗結果，可建立觸頭的實(shí)際溫度與傳感器的測量溫度間的數學(xué)關(guān)系式為

　　TC=K(TS-T)+T (3)

　　式中 K=1.43;TS為光纖光柵溫度傳感器測量的溫度值;T為高壓開(kāi)關(guān)柜環(huán)境溫度。

　　3.4 系統的抗電磁干擾性分析

　　為

　　了檢驗光纖光柵傳感系統的抗電磁干擾能力，在高壓開(kāi)關(guān)柜滿(mǎn)負荷工作，并且傳感器測量趨于穩定的情況下，通過(guò)對開(kāi)關(guān)柜采用突然掉電的方式來(lái)檢測溫度測量結果與電磁場(chǎng)的關(guān)系[15-16]，實(shí)現抗電磁干擾能力的實(shí)驗。圖4 是在觸頭溫升趨于穩定后，在試驗過(guò)程中安排了兩次停電并在一次側的B 相觸頭上測量的溫度數據，圖4(a)是電流的變化過(guò)程圖，圖4(b)是電流變化引起的觸頭溫度變化曲線(xiàn)?？梢?jiàn)在母線(xiàn)失去電流的情況下，引起了觸頭溫度的下降，但在恢復送電后又很快開(kāi)始上升。從曲線(xiàn)可以看出測量的觸頭溫度對突然的停電與送電做出了反應，但這種溫度的升降是漸變的而不是突變的，說(shuō)明電磁場(chǎng)的存在對傳輸光纖以及光纖光柵溫度傳感器沒(méi)有影響。如果電磁場(chǎng)的存在使測溫系統顯示的溫度較實(shí)際溫度偏高或偏低，那么當開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)中一旦失去電流，電磁場(chǎng)消失時(shí)，溫度顯示會(huì )立即跳變到“實(shí)際值”，但這種跳變現象在實(shí)際試驗中并未發(fā)生。因此說(shuō)明光纖光柵觸頭測溫系統具有很強的抗電磁干擾能力。

　　4 實(shí)驗結果

　　本光纖光柵觸頭溫度測量系統在變電站10kV高壓開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行了成功試用，圖5 是在高壓開(kāi)關(guān)柜工作在70%的額定負荷范圍時(shí)對一次側B相觸頭在24 小時(shí)的溫度監測記錄，它反應了全天觸頭溫度的變化過(guò)程。從圖中可以看出，從午夜0點(diǎn)到早晨6 點(diǎn)之間觸頭的溫度最低，這一方面是由于用電負荷較小，另一方面與氣溫較低有關(guān);從早晨6 點(diǎn)開(kāi)始隨著(zhù)用電負荷的增大，觸頭的溫度也開(kāi)始升高，到9點(diǎn)用電負荷趨于穩定，但由于氣溫的逐漸升高觸頭溫度也開(kāi)始上升，到14 點(diǎn)時(shí)溫度達到最高;從14點(diǎn)到18點(diǎn)之間由于氣溫的降低，觸頭的溫度也逐漸變小;同時(shí)從18 點(diǎn)后，由于用電負荷的增大，觸頭溫度又開(kāi)始上升，到22 點(diǎn)時(shí)達到最高;此后隨著(zhù)用電負荷的減小，觸頭溫度也逐漸降低。通過(guò)對24小時(shí)觸頭溫度的記錄分析可以看出，光纖光柵觸頭溫度測量系統能夠正常工作，其記錄數據正確反應了觸頭溫度與開(kāi)關(guān)柜的工作負荷和周?chē)諝鉁囟戎g的變化關(guān)系，說(shuō)明了光纖光柵觸頭溫度測量系統的方案是可行的。

　　5 結論

　　本文利用光纖光柵傳感器的體積小、抗電磁干擾能力強、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，代替電子類(lèi)傳感器實(shí)現了對高壓開(kāi)關(guān)柜隔離觸頭的溫度監測，此方案不需要復雜的絕緣設計，因此具有簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)。此方案中，解決了光纖光柵溫度傳感器的應變交叉敏感影響，在光路的復用上采用了空分復用加波分復用的方案，提高了系統的可靠性和實(shí)時(shí)性。此系統在10kV 高壓開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行了測試，系統能夠正常運行，說(shuō)明本方案是可行的。