本實用新型涉及光纖測溫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電力設(shè)備安全可靠性是超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)，對電網(wǎng)電力設(shè)備進(jìn)行安全運營實時監(jiān)控成為必要。長期電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)表明，電網(wǎng)電氣設(shè)備故障大多是由于大電流運行、設(shè)備老化、絕緣水平下降等原因?qū)е略O(shè)備在高溫條件下運行，進(jìn)而引發(fā)燃燒，爆炸等嚴(yán)重后果所造成。發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜在長期運行過程中，開關(guān)的觸點和母線連接等部位因老化導(dǎo)致接觸電阻過大而發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位的溫度很難監(jiān)測，由此最終導(dǎo)致事故發(fā)生。

高壓開關(guān)柜是指用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等作用的電氣產(chǎn)品，高壓開關(guān)柜工作電壓等級在3.6kV～550kV。高壓開關(guān)柜為金屬封閉開關(guān)設(shè)備，在正常工作時，不允許打開金屬封閉門，所有電氣連接點均位于高壓開關(guān)柜中。由于開關(guān)柜內(nèi)部工作電壓高，且正常使用中不能隨意斷電，所以安裝于高壓開關(guān)柜內(nèi)部的測溫系統(tǒng)，需要更高的電氣絕緣性，日常使用中的應(yīng)減少維護(hù)量。

封閉式柜體在運行中不能打開，因此難以測量運行中柜內(nèi)接(觸)頭的實際溫度，如不及時發(fā)現(xiàn)并處理接(觸)頭過熱性缺陷，嚴(yán)重威脅電力安全生產(chǎn)。當(dāng)負(fù)荷較大時存在隱患的接(觸)頭就會嚴(yán)重發(fā)熱。由于發(fā)熱點在密封柜內(nèi)，運行中的柜門禁止打開，值班人員無法通過正常的監(jiān)視手段發(fā)現(xiàn)發(fā)熱缺陷。一旦觸頭發(fā)熱嚴(yán)重必然造成事故發(fā)生，影響系統(tǒng)安全運行。

因此，高壓開關(guān)柜加裝安全、實時、少維護(hù)、全方位測溫系統(tǒng)既是設(shè)備自身標(biāo)準(zhǔn)，也是符合實際用戶需求，同時，也是智能電網(wǎng)的發(fā)展方向之一。

目前，用于開關(guān)設(shè)備的測溫技術(shù)主要有以下方法：紅外測溫技術(shù)、有源無線測溫技術(shù)、光纖光柵傳感測溫技術(shù)。

(1)紅外測溫技術(shù)：紅外線測溫技術(shù)是通過吸收紅外線輻射能量，測量出設(shè)備表面的溫度及溫度場的分布，從而判斷設(shè)備的發(fā)熱情況。該方法只可測量在傳感器直視范圍內(nèi)的測量點溫度，無法適用于針對開關(guān)柜內(nèi)部的斷路器觸頭溫升的測量。

(2)有源無線測溫技術(shù)：有源無線測溫技術(shù)的原理是通過單片帶微處理器的傳感器將被測設(shè)備溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過無線發(fā)射模塊傳遞至接收器，接收器處理后將采集到的溫度信息上傳到后臺顯示系統(tǒng)，該方法也是目前高壓開關(guān)柜實時測溫的主要方法。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、小巧，可安裝于任何位置，但該技術(shù)必須采用電池供電或CT取電，無法做到高低壓分離。電池供電方式需要定期更換電池，并且電池自身存在爆炸風(fēng)險，維護(hù)量大；CT取電對電流大小有要求，電流波動大對測量精度影響較大，CT取電方式存在安裝難度大的缺點。

(3)光纖光柵測溫技術(shù)：光纖光柵周圍的溫度發(fā)生變化時,將導(dǎo)致光柵周期或者纖芯折射率產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生光柵布喇格信號的波長位移Δλ,通過監(jiān)測布喇格波長的變化情況，即可獲得光纖光柵周圍溫度的變化狀況。但由于光柵的基本結(jié)構(gòu)為沿纖芯折射率周期性的調(diào)制，每顆光柵的封裝工藝將導(dǎo)致安裝不易，受動靜觸電撞擊光柵器件易損，裝置工藝成本較貴，經(jīng)濟(jì)性差等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實用新型提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)，采用拉曼散射和光時域反射技術(shù)，可以同時監(jiān)測多面高壓開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測點的溫度，并準(zhǔn)確定位故障點。

本實用新型提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)，包括：測溫主機、傳感光纜和分布在高壓開關(guān)柜內(nèi)各個監(jiān)測點的多個感溫探測器；所述感溫探測器由光纖繞制而成；所述測溫主機通過所述傳感光纜串聯(lián)多個所述感溫探測器；所述測溫主機用于產(chǎn)生在所述傳感光纜中傳輸?shù)拿}沖激光，接收所述傳感光纜的后向散射光，并進(jìn)行處理得到監(jiān)測點的溫度信息和位置信息。

本實用新型提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)，采用拉曼散射和光時域反射技術(shù)，可以同時實現(xiàn)溫度和距離的測定，采用光纖制成的感溫探測器結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕、尺寸小巧，能夠靈活地安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)各個監(jiān)測點，定點測量小范圍內(nèi)的溫度變化，測量精度高且不受高壓電磁干擾影響。

優(yōu)選地，所述感溫探測器外部設(shè)有保護(hù)套，所述保護(hù)套采用耐高溫、導(dǎo)熱快的材料制成。

優(yōu)選地，所述保護(hù)套的材料為聚四氟乙烯。

優(yōu)選地，所述傳感光纜和所述感溫探測器中的光纖均采用感溫多模光纖。

優(yōu)選地，所述傳感光纜的保護(hù)層采用聚四氟乙烯材料。

優(yōu)選地，所述傳感光纜的保護(hù)層外部設(shè)有外護(hù)套，所述外護(hù)套采用低煙無鹵阻燃材料。

優(yōu)選地，還包括設(shè)置在所述高壓開關(guān)柜內(nèi)的光纖分線盒，所述傳感光纜經(jīng)所述光纖分線盒分出多路感溫光纖，多路所述感溫光纖串聯(lián)，一路所述感溫光纖與一個所述感溫探測器連接。

優(yōu)選地，還包括光纜分線盒和多芯傳導(dǎo)光纜，所述測溫主機通過所述多芯傳導(dǎo)光纜與所述光纜分線盒連接，所述光纜分線盒分出多路傳感光纜至不同區(qū)域的高壓開關(guān)柜。

優(yōu)選地，還包括網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，所述網(wǎng)絡(luò)通訊模塊與所述測溫主機連接，所述測溫主機通過所述網(wǎng)絡(luò)通訊模塊將監(jiān)測的數(shù)據(jù)上傳至供電局的監(jiān)控計算機。

本實用新型提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

(1)采用光纖制成的感溫探測器結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕、尺寸小巧，能夠靈活地安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)各個監(jiān)測點，定點測量小范圍內(nèi)的溫度變化，測量精度高且不受高壓電磁干擾影響。

(2)采用光纖的光時域反射原理以及光纖的后向喇曼散射溫度效應(yīng)，多個高壓開關(guān)柜內(nèi)的多個觸頭在單個通道里完成測量，最大程度的增加了測量容量，大大提高了監(jiān)測效率。

(3)整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，核心傳感及通信只用一芯光纖，無任何中繼運算與傳輸?shù)钠骷?。光纜使用壽面長，光纜出廠質(zhì)保10年以上；報警后，只需系統(tǒng)軟件復(fù)位，無損光纜，系統(tǒng)維護(hù)簡單，柜內(nèi)測量器件屬絕緣非導(dǎo)電材質(zhì)，不怕高壓位擊穿，無任何帶電設(shè)施，安全性高。

(4)報警方式豐富，閾值報警、溫差報警、溫升速率報警；系統(tǒng)若干秒，完成上百面柜各觸點溫度讀取，能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)警分析；常年數(shù)據(jù)備份，報警前后數(shù)據(jù)詳盡，客戶端調(diào)用及時可靠，展示分析能力多樣。

附圖說明

圖1為本實施例提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)的測溫拓?fù)鋱D；

圖2為本實施例提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜內(nèi)的分布圖的正面示意圖；

圖3為本實施例提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜內(nèi)的分布圖的側(cè)面示意圖；

圖4為本實施例提供的光纖分線盒與傳感光纖、感溫探測器的連接示意圖。

附圖標(biāo)記：

1-測溫主機；2-傳感光纜；3-感溫探測器；4-光纜分線盒；5-多芯傳導(dǎo)光纜。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本實用新型技術(shù)方案的實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術(shù)方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本實用新型的保護(hù)范圍。

需要注意的是，除非另有說明，本申請使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本實用新型所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常意義。

本實施例提供了一種基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示，包括：測溫主機1、傳感光纜2和分布在高壓開關(guān)柜內(nèi)各個監(jiān)測點的多個感溫探測器3。測溫主機1通過傳感光纜2串聯(lián)多個感溫探測器3。感溫探測器3由光纖繞制而成，繞制的光纖越長測溫精度越高，一般繞制的光纖長度達(dá)到3米時測溫精度即可達(dá)到1℃，感溫探測器3結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕、尺寸小巧，能夠靈活地安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)各個監(jiān)測點，定點測量小范圍內(nèi)的溫度變化，測量靈敏度高且不受電磁干擾影響。測溫主機用于產(chǎn)生在傳感光纜2中傳輸?shù)拿}沖激光，接收傳感光纜2的后向散射光，并進(jìn)行處理得到監(jiān)測點的溫度信息和位置信息。

本實施例的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)，采用拉曼散射和光時域反射技術(shù)，可以同時實現(xiàn)溫度和距離的測定。

拉曼散射是依據(jù)光在光纖中傳播過程中，產(chǎn)生后向拉曼散射光譜的溫度效應(yīng)。當(dāng)入射的光量子與光纖物質(zhì)分子產(chǎn)生碰撞時，產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時，光量子和物質(zhì)分子之間沒有能量交換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光相同的波長；在非彈性碰撞時，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個波長較長的斯托克斯光和一個波長較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，系統(tǒng)采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號通道，兩者的比值可以消除光源信號波動、光纖彎曲等非溫度因素，實現(xiàn)對溫度信息的采集。

光時域反射技術(shù)(即OTDR原理)是對空間分布的溫度實現(xiàn)空間測量的理論基礎(chǔ)。激光脈沖在光纖中傳輸時，在時域里，入射光經(jīng)過背向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，有：

2L＝V·t

其中，V為光在光纖中傳輸速度；C為真空中的光速；n為光纖折射率。

系統(tǒng)利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生窄脈寬光脈沖信號進(jìn)入傳感光纜2，經(jīng)過光波分復(fù)用裝置，將產(chǎn)生的拉曼散射光耦合至光電探測模塊，由于受溫度影響的反斯托克斯光信號很弱，采用雙路微信號光電探測APD以及信號放大電路進(jìn)行光信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的電壓值經(jīng)DSP高速處理芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及初步解調(diào)。計算溫度的公式為：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；k為波爾茲曼常數(shù)；V₀為入射光頻度；T為監(jiān)測點溫度；T₀為絕對零度。

當(dāng)某個監(jiān)測點溫度升高時，從該監(jiān)測點的感溫探測器3處反射回的反斯托克斯光會產(chǎn)生明顯的變化，根據(jù)這種變化即可確定溫度值，同時根據(jù)返回的光在時間域上的時刻，即可確定監(jiān)測點所處的位置。

測溫主機1采用多項國內(nèi)外領(lǐng)先光電測量和光纖技術(shù)以及高性能光電器件，測量距離可達(dá)數(shù)公里，因此，一條傳感光纜2可串接多個感溫探測器3，測溫精度高達(dá)1℃，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)在若干秒內(nèi)即可完成上百面高壓開關(guān)柜中各觸點溫度的讀取。測溫主機1可實時監(jiān)測感溫探測器3的溫度值，同時對過高的溫度值進(jìn)行報警，并顯示故障點的位置，方便維修人員盡快確定故障點并及時維修。由于系統(tǒng)響應(yīng)速度快，測溫精度高，本系統(tǒng)配合相應(yīng)處理算法可以實現(xiàn)閾值報警、溫差報警、溫升速率報警等報警方式，甚至實施“早期預(yù)警”，將安全隱患將至最低。

如圖1、2所示，多個感溫探測器3分布在高壓開關(guān)柜內(nèi)的動靜觸頭與電纜連接點等關(guān)鍵監(jiān)測點，通過傳感光纜2串聯(lián)連接，多個高壓開關(guān)柜中的感溫探測器3可串聯(lián)接到一根傳感光纜2上，可同時檢測串聯(lián)在這一根傳感光纜2上的所有監(jiān)測點。為了擴大系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，如圖1所示，本實施例的監(jiān)測系統(tǒng)還包括光纜分線盒4和多芯傳導(dǎo)光纜5，測溫主機1通過多芯傳導(dǎo)光纜5與光纜分線盒4連接，光纜分線盒4分出多路傳感光纜2連接不同區(qū)域的高壓開關(guān)柜，多個區(qū)域的高壓開關(guān)柜可增加通道數(shù)來滿足不同量化的需求。

如圖2、3所示，給出了高壓開關(guān)柜內(nèi)動靜觸頭、母排、電纜連接點等關(guān)鍵監(jiān)測點的光纖分布連接方式，由于相鄰兩個監(jiān)控點的距離較近，如果直接用光纖連接，存在高壓電擊穿光纖的安全隱患，而且相鄰監(jiān)測點間的連接光纖較短，也不利于區(qū)分相鄰監(jiān)測點的位置。因此，在高壓開關(guān)柜內(nèi)還設(shè)置有光纖分線盒，傳感光纜2經(jīng)光纖分線盒分出多路感溫光纖，多路感溫光纖串聯(lián)，一路感溫光纖與一個感溫探測器3連接，具體連接方式如圖4所示，每一路感溫光纖由兩條感溫光纖組成，與光纖分線盒連接的感溫探測器3均串聯(lián)在同一線路中，圖4中的箭頭表示脈沖激光在光纖中的傳播方向。多個光纖分線盒之間通過傳感光纜2串聯(lián)。以圖2、3為例，光纖分線盒可設(shè)為任意獨立單元，布設(shè)于開關(guān)柜電氣室、母線室、及電纜室內(nèi)，光纖分線盒內(nèi)按照光纜曲率半徑特征，規(guī)范盤繞引出的三路感溫光纖，起到了單元封裝工藝及束線路由分配標(biāo)準(zhǔn)化的作用。其路由分配，分別滿足了ABC三相的電路特征，引出的對應(yīng)感溫探測器3分別監(jiān)測了ABC三相的對應(yīng)監(jiān)測點。

由于一般光纖無法承受高溫，因此感溫探測器3外部的保護(hù)套采用耐高溫、導(dǎo)熱快的材料制成，優(yōu)選聚四氟乙烯既能快速傳遞外界熱量，又可有效保護(hù)光纜內(nèi)部的光纖，還能防止嚙齒動物的嚙咬，尤其適合工業(yè)消防監(jiān)測應(yīng)用及工程施工需求。感溫探測器3中的光纖采用感溫多模光纖，支持較長的傳輸距離。

傳感光纜2采用快速導(dǎo)熱型光纜，內(nèi)部光纖采用進(jìn)口感溫多模光纖，光纖的保護(hù)層選用高強度聚四氟乙烯，傳感光纜2的外護(hù)套為高性能的低煙無鹵阻燃材料，耐溫高達(dá)300℃。本實施例采用的傳感光纜2抗拉強度大，耐彎、耐壓性能好，防水、抗腐蝕性，可靠性高，工作壽命長，有效保證整個監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

本實施例的監(jiān)控系統(tǒng)還包括網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊與測溫主機1連接，測溫主機1通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊將監(jiān)測的數(shù)據(jù)上傳至供電局的監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機根據(jù)報警的情況可判斷哪個變電站的哪個高壓開關(guān)柜發(fā)生異常，并及時采取必要的措施防止火災(zāi)事故的發(fā)生。人性化、功能完善的中文交互界面可實時顯示溫度分布曲線和待測區(qū)域報警狀態(tài)，可根據(jù)實際工況分區(qū)設(shè)置多級報警閾值，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計分析功能。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的基于Web的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)可以方便地與客戶局域網(wǎng)無縫連接，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何一臺計算機均可快捷地訪問系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)自帶的IE瀏覽器即可訪問、調(diào)取溫度數(shù)據(jù)和報警信息。

本實施例提供的基于光纖分布式測溫的高壓開關(guān)柜多點監(jiān)測系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

(1)采用光纖制成的感溫探測器3結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕、尺寸小巧，能夠靈活地安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)各個監(jiān)測點，定點測量小范圍內(nèi)的溫度變化，測量精度高且不受高壓電磁干擾影響。

(2)采用光纖的光時域反射原理以及光纖的后向喇曼散射溫度效應(yīng)，多個高壓開關(guān)柜內(nèi)的多個觸頭在單個通道里完成測量，最大程度的增加了測量容量，大大提高了監(jiān)測效率。

(3)整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，核心傳感及通信只用一芯光纖，無任何中繼運算與傳輸?shù)钠骷?。光纜使用壽面長，光纜出廠質(zhì)保10年以上；報警后，只需系統(tǒng)軟件復(fù)位，無損光纜，系統(tǒng)維護(hù)簡單，柜內(nèi)測量器件屬絕緣非導(dǎo)電材質(zhì)，不怕高壓位擊穿，無任何帶電設(shè)施，安全性高。

(4)報警方式豐富，閾值報警、溫差報警、溫升速率報警；系統(tǒng)若干秒，完成上百面柜各觸點溫度讀取，能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)警分析；常年數(shù)據(jù)備份，報警前后數(shù)據(jù)詳盡，客戶端調(diào)用及時可靠，展示分析能力多樣。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。