应用于电力系统的现代传感技术探讨

李兰云 河南科技学院

梁中伟 国网河南省电力公司辉县市供电公司

一、引言

随着现代传感技术的发展，涌现了越来越多的新型传感器，其中对于温度的检测一直是重要研究领域，尤其是在工业生产自动化流程中，温度测量点一般要占全部测量点的一半左右。在电力系统中，现代传感技术也发挥着必不可少的作用，例如母线的电流、电压检测，局部放电的在线检测等，同样，对于温度的检测也是必不可少的。

经数据统计，在电力系统中，配电盘、变压器、电缆、高压开关等电力设备的主要异常事故原因为：柜内螺丝松脱接触不良及连接头接触面氧化，导致局部电阻变大，在负载电流过大时温升过高，造成铜排或器具烧毁，进而导致短路甚至火灾。因此，采取有效措施监测母线温度，一直是电力系统需要解决的重要课题之一。

二、母线测温方式分析

目前，温度测量方法很多，一般分为两类：（1）接触式测温，如热电偶、热电阻、集成温度传感器等，这类温度传感器结构比较简单，价格也比较低廉，但因母线处于高电位，仪器的安装、供电等都难以解决；（2）非接触式测温，如红外温度传感器、超声波温度传感器等，但其测量精度较低，且价格昂贵，尤其在高压开关柜场合使用不便。

由于母线属于高压电气设备，在对其进行温度检测时，一些常规的测温方法很难得到应用，下面对母线温度检测的常用方式进行一些讨论。

（一）早期测温方式

1.采用色片，即贴感温贴纸。色片的颜色可以随温度的变化而随之发生变化，因此根据色片的颜色就可以来判读温度。但这种方法准确度低，可靠性差，不能进行定量测量，而且对于高压母线触点来说，在运行时几乎看不见色片的颜色。

2.采用红外温度检测。优点是测量范围大，准备度高，但缺点是设备价格昂贵，并且无法检测封闭在机柜内的高压母线，也无法实现高压设备和温度在线检测的一体化集成。

（二）光纤测温

光纤传感器自出现以来，以其不受电磁场干扰、高灵敏度、高精度、高速度等优点，在电流、电压等电量，以及温度、压力、流量等非电量参数的测量上，都发挥了不可替代的作用。将光纤传感器用于电力电缆的温度监测，也有其独特的优势：（1）光缆能够抵御恶劣环境的影响，可以铺设到其他温度传感器难以到达的区域，并且在危险区域也能够安全使用；（2）便于安装和集成，在每个定义的分区内有数千个温度测量点，可以在整个光缆长度内实时测量；（3）电磁干扰免疫；（4）使用寿命长，数十年免维护。

三、分布式光纤测温系统

分布式光纤测温系统利用传感光纤进行温度检测，是目前可以用于解决母线温度检测的一种有效方式。

（一）系统原理

分布式光纤测温系统DTS (Distribution Temperature Sensing)，分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。

利用拉曼效应进行温度测量，主要依据的是光纤的光时域反射(OTDR)原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。当激光脉冲入射到光纤里，在发送端得到背向散射光并进行分析，拉曼散射光的强度与温度成正比，因此，测量散射光强度即可得到沿光纤分布的温度，温度点的定位可以通过测量背向散射光返回起始端的时间来确定，如图1所示。

图1 DTS测量原理

分布式光纤测温系统的传感过程为：计算机控制同步脉冲发生器产生具有一定重复频率的脉冲，这个脉冲一方面调制脉冲激光器，使之产生一系列大功率光脉冲，另一方面向高速数据采集卡提供同步脉冲，进入数据采集状态。光脉冲经过波分复用器的一个端口进入到传感光纤，并在光纤中各点处产生后向散射光，返回到波分复用器中。后向散射光通过波分复用器中的薄膜干涉滤光片分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，经波分复用器的另外两个端口输出，并分别进入到光电检测器(APD)和放大器中进行光电转换和放大，将信号放大到数据采集卡能够采集的范围上。最后由数据采集卡进行存储和处理，用于温度的计算。

（二）性能

1.实时性：可对被测物件温度进行实时监控，实时显示，达到早期预警功能。

2.分布式：分布式光纤测温系统(DTS)为全分布式测温，以光纤作为感温元件外无其他任何侦测元件，侦测距离达数km，能实现被测物件全长度范围内连续性的线形监测方式，没有探测盲点。

3.先进性：DTS光缆分布式温度测量系统在国内外已经被广泛应用于电力缆线/设施安全、火灾监测和管道泄漏监测，在技术上已非常成熟完善；通过采用不同的外护套材料和不同的光缆结构，探测光缆可以适应各种环境。

4.准确性：DTS系统温度分辨率（标准差）可以达到1℃，定位精度达0.5M以下。

5.灵活性：DTS监测系统的监测是连续的温度测量，可设置多种报警模式，如定温报警，温升报警，分区极大温度报警等；可按照用户的要求进行分区，每个分区的报警条件相互独立。

6.扩展性：DTS系统可以连接多路光纤进行测量，根据实际需要，有1、2、4、8、12、24路可以选择。

7.安全性：光纤本身是由石英玻璃（无定形固体结构二氧化硅SiO2化合物）组成的，完全的电绝缘；探测光缆本质安全，采用光信号，不会与动力电缆之间产生相互电磁干扰；雷电经常破坏大量的电测传感器。光纤传感器由于完全的电绝缘，可以抵抗高电压和高电流的冲击。

8.免维护性：光纤的材料一般皆为石英玻璃，其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，探测光缆的使用寿命在20年以上，光缆能够被安装在恶劣环境条件下，能够抵御灰尘、潮湿、腐蚀性气体、高压突波冲击及电磁辐射等外界干扰。

（三）母线温度测量

实验证明母线槽在加载大的且变化的电流负载时将会导致热量快速积聚，大量的热会通过热辐射的形式散发，而不是将电能传递给机器或者服务器。除了母线槽本身，接头时不仅会造成电力浪费，还存在变成热点的风险，是导致火灾事故出现的主要因素。温度测量是发现热点和低效根源的关键，在线监测电母线温度，实现早期的火灾探测，可以有效的提高电力系统的安全性，大幅度降低损耗。

例如，韩国LG公司为超净室的母线槽配备了分布式光纤测温系统，该系统及时发现了母线槽的温度异常情况，通过仔细检查该热点发现了异常原因：母线槽底部的接线箱盖没有完全固定，出现了一个5cm的间隙，导致12到18个月的绝缘恶化，以至温度持续缓慢的上升。如果该过热点没有被分布式光纤测温系统探测到（或者更糟，工人刚好接触到该问题点），那么极有可能发生火灾甚至爆炸，将对整个产品线造成极大破坏，甚至人员伤亡，DTS系统有效的阻止了这场重大事故。

某现代玻璃制造工厂企业是一家有着400年的玻璃制造和独一无二香水容器生产历史的家族企业，在玻璃的制造过程中，当玻璃熔化时，温度能达到1500℃。在车间安装DTS系统，利用光纤作为传感器，将光纤安装在需要监测的区域，并划分为若干预定义的分区，并为每个分区设定合适的报警条件，使得整个安装能够满足用户的要求。总之，越来越多的企业、工厂使用DTS系统，这充分说明了该系统的有效性和广泛应用。

四、小结

分布式光纤测温系统集光纤传感、光纤传输、光纤通信、光电控制及计算机等技术于一体，实现了电力系统运行设备的多点、实时、在线监测。该系统已在国内外电力系统中广泛应用并得到认可，进一步完善该系统的稳定性和可靠性将使其在电力系统中的应用前景更加广阔。