分布式光纤传感测温系统在电抗器中的应用探讨

分布式光纤传感测温系统在电抗器中的应用探讨
■ 刘畅1 李惠强2 吴水荣2 赵现伟1 刘中奎1 崔小东1 王海成1 王东雪1（1.沈阳亨通光通信有限公司 辽宁 沈阳 110168）
（2.江苏亨通光电股份有限公司 江苏 苏州 215234）
本文介绍了一种用于干式电抗器的基于拉曼散射与光时域反射相结合的分布式光纤测温系统及方法，目的是解决传统测试方法所存在的监测缺陷。

这是一种在通过感温光缆及其组成系统应用在干式电抗器的温度监测，在设备温度数据监测到异常时，系统发出预警报告信号，避免问题在失控情况下持续发展，并将故障带来的损失降到最低程度，是一种整体构架简单、监控便捷、安全性高的测温系统。

本文将着重对实现技术进行介绍。

The aim of this paper is to present a distributed optical fiber temperature measurement system and method based on Raman scattering and optical time domain reflection for dry reactors, aiming at solving the monitoring defects of traditional test methods. A temperature sensing cable and its component system are applied to the temperature monitoring of the dry reactor. When the temperature data of the device is monitored abnormally, the system issues an early warning report signal to prevent the problem from continuing to develop under the uncontrolled situation. And minimize the damage caused by the failure. It is a temperature measurement system with simple overall structure, convenient monitoring and high security. This paper will focus on the implementation technology.
拉曼散射 光纤传感技术 分布式测温 电抗器
Raman scattering; Optical fiber sensing technology; Distributed temperature measurement; Reactor
Doi:10.3969/j.issn.1673-5137.2020.06.006
摘 要Abstract
关键词Key Words
１．　引言
在电力系统中采用的电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备之一，用于补偿电力系统的无功容量，降低动态电压。

电抗器会因线圈导线含有杂质或运行过程中包封环氧树脂的无维玻璃丝带来绝缘不良等隐患，在运行过程中局部温度过高，最终导致电抗器烧坏、报废。

这不仅影响了电网的正常工作，也给国家和企业造成较大的损失。

对高压电力设备温度测量，目前普遍采取的方法是使用示温蜡片或定期用红外测温仪逐点测温的。

示温蜡片的可靠性和精确性不足，而用红外测温仪逐点测温的方法必须避开太阳光背景干扰，一般需在夜间或阴雨天到现场人工实测，需大量人力物力，若安装固定测温仪则需从不同角度拍摄到设备，成本很高。

２．　传统干式电抗器温度的监测方法
在目前电力上采用的干式电抗器的温度监测方法，一般是在电抗器发生故障时才能监测到，通过故障带来的明显异常反应，再对问题实施处理措施。

干式电抗器主要是以线圈
及附件构成，没有其它元件和冷却系统作为其组成部分，电抗器在运行过程中产生的热量冷却完全依靠空气自然循环完成。

电抗器除了电气上有以电流为特征量的保护外，干式电抗器没有其它继电保护和监测功能。

如在工程设计配置的继电保护也仅在电抗器发生故障后，通过判断电流量的大小判定电抗器发生了故障，从而发现故障，采取措施，不能对故障进行提前监测和问题出现前的预防，无法对故障损失进行最小程度的控制。

由于干式电抗器的运行特点限制，现有的监测手段一般是通过巡视定点测温的方式进行监控防范。

再者，也有可选的烟感监测方法，在电抗器发生过热时产生的烟气可以被烟感探测器监测到，以达到最快速发现的目的。

缺点是电抗器的安装地点均是处于空旷的户外，通过发热而产生极为稀少
的放烟，很容易被户外的风带走，不太容易汇聚成一定标准的烟密度，因此在起初的问题出现时这种方法也很难起到很好的监测效果。

而进一步思考的结果是，正常情况下，干式电抗器的发热是运行电流造成的，电抗器的温度是随着运行
环境及运行电流的变化而变化的。

如果干式电抗器发生异常或者故障，电抗器故障所在位置会产生明显的温度升高，因此通过对电抗器每一个区域的时时温度监控，可以最快速有效的对电抗器进行保护性监测。

这种对电抗器故障的监测方法的研究，对电网的整体安全和稳定运行具有深远的意义。

３．　温度监测的难点和新的方式选择
干式空心电抗器在户外运行时，受强电场、发热以及环境因素作用（如雨雪、污染物、紫外辐射等），会发生老化现象，绝缘性能下降，局部损耗增大，发热异常，热点温升长时间超过限值要求，容易引发电抗器着火烧毁等严重事故。

此外，气道堵塞导致包封通风散热不良、电抗器设计不合理，如包封中线圈电流分配不均匀，损耗过大，均会导致干式空心电抗器出现过热故障，严重时甚至烧毁，如图1所示。

现有的干式空心电抗器故障表象也集中在电抗器局部过热导致电抗器起火烧毁故障，而过热包封层往往不是最外层包封。

图1：烧坏故障的电抗器
由于电抗器工作时各点温升的不确定性，使得一般点状温度传感器无法测量可能发生的某点温度异常升高情况，这就为应用分布式光纤温度传感器测温提供了可能。

分布式光纤温度传感器因其可以实现沿光纤长度进行温度的连续测量且不受强电磁环境的干扰而展现出广阔的应用前景。

所以我们提出：在电抗器气道内布置光纤，并在重点位置设置光纤环加强监视。

建立干式电抗器分布式光纤测温系统。

４．　分布式光纤传感在电抗器中的应用
4.1 技术应用的实现基础
分布式光纤测温系统是基于目前先进的分布式光纤传感与控制技术自主研制开发的测温预警系统。

其工作原理是利用光在光导纤维中传输时产生的自发拉曼（Raman）散射和光时域反射（OTDR）原理来获取空间温度分布信息的。

当在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲时，激光在光纤中向前传播的同时，自发产生拉曼散射光波，拉曼散射光波的强度受所在光纤散射点的温度影响而有所改变，通过获取沿光纤散射回来的背向拉曼光波，可以解调出光纤散射点的温度变化。

同时，根据光纤中光波的传输速度与时间的物理关系，可以对温度信息点进行定位。

整个系统包含了测温设备及连接设备的感知用特殊型光纤光缆，我们设计了专用的光缆产品，在本文中将进行分析介绍。

4.2 系统的组成架构
该分布式光纤测温系统的组成，主要包括了感温光缆、传输光缆、光纤测温仪、监测主机、声光报警器，如图2所示。

图2：含感温光缆、布线缆、光纤测温仪示意、测温主控 感温光缆的敷设操作是整体环节中需要特别注意的方面，也是构成感温系统的最直接的物理层，在电抗器内各风道敷设顺序及敷设要点提示。

操作时每次从盘具上取一定长度的感温光缆盘留，从而降低电抗器上方人员拉取光缆的拉力，该光缆对应力较为敏感。

电抗器最外层是温度最高位置，需按照先敷设外层风道再敷设内层风道的顺序一层一层的将光缆敷设到每个风道内。

电抗器顶端存在支持梁，在完成一层风道敷设后要反方向敷设下一层。

光缆头端预留长度根据电抗器到电缆沟的路由长度判断。

光缆在风道的绝缘栅位置进行折返，在光缆折返位置，避免感温光缆出现微弯，保证弯曲不影响信号传输。

在同一层同一扇区的首尾两个风道内，盘留一个数米的线圈，线圈直径小于风道宽度。

其中感温光缆设置在干式电抗器的气道内，在控制室设置有光纤测温仪、监测主机和声光报警器，光纤测温仪与传输光缆连接，将感温光缆的光信号转换成温度信号后，通过通讯线与监测主机连接，在监测主机上，并根据预设值发送温度预警和报警信号给声光报警器。

利用具有良好绝缘性能的感温光纤作为传感器，将其布置在干式电
抗器的气道内，监测电抗器的问题，并提供一组设置，在
温度值异常时，提供预警和报警信号，防止故障进一步发展成事故。

该装置具有结构简单，操作方便的特点，可以显著提高工作的安全性。

4.3 测温方法介绍
电抗器的分布式光纤测温方法，通过上面介绍的整体系统进行串联，首先对感温光缆进行施工布点，将感温光缆在一个气道的下端穿到另一气道内，再由另一气道上部穿出，依次排布在各个气道中，并采用绝缘硅橡胶固定在每个气道撑条的上端和下端。

感温光缆是最直接与电抗器接触的一部分，在做好感温光缆的分布后，感温光缆与通信光缆做好对接，最终与系统相连接。

分布式感温光缆作为温度传感单元，通过测量电抗器气道内的温度，监测电抗器内部故障引起的温度变化；具体是由感温光缆布置在电抗器的气道内穿出一定距离后，其穿出电抗器后通过光纤接续盒转换为传输光缆，连接到电抗器附近的控制室，在控制室内设置有光纤测温仪、监测主机和声光报警器，光纤测温仪与传输光缆连接，将感温光缆的光信号转换成温度信号后，通过通讯线与监测主机连接，在监测主机上，并根据预设值发送温度预警和报警信号给声光报警器。

根据预设值发送温度预警和报警信号给声光报警器，包括如下操作步骤：
(1)当电抗器温升快速上升，并且其中任何一个传感器的温升大于管控值（90K）时，开始预警，并提示站内人员电抗器是否处于过载状态；如果电抗器处于过载状态，则电抗器运行正常，如果电抗器未处于过载状态，则需站内人员对电抗器进行检查；
(2)当电抗器温升在管控值（90K～115K）之间，且持续时间大于2小时的时候开始报警，并提示站内人员电抗器是否仍然处于过载状态；如果电抗器未处于过载状态，则需站内人员对电抗器进行检查；
(3)当电抗器过载状态结束后，并且所有传感器的温升下降到管控值（90K）以下时，预警解除；
(4)当电抗器温升快速上升，并且其中任何一个传感器的温升大于管控值（115K）时，开始报警，并提示站内人员对电抗器进行检查；
(5)当电抗器温升上升速率大于管控值（2K/5min）时，开始预警，并提示站内人员电抗器是否处于初始送电阶段或者过载阶段；如果电抗器处于初始送电阶段或者过载阶段，则电抗器运行正常，如果电抗器未处于初始送电阶段或者过载阶段，则需站内人员对电抗器进行检查；
(6)当电抗器温升上升速率降回管控值（2K/5min）以下时，预警解除；
(7)经过多年运行的电抗器，绝缘性能也将逐步劣化，可以通过对电抗器逐年同时期同环境条件的温升变化情况进行比对，判断电抗器是否存在异常。

以下结合附图3和图4对上述具体的系统实现测温的方式进行展示：
图3：感温光缆在电抗器内部布置结构示意图
图4：干式电抗器测温系统结构示意图
５．　系统的验收认证
干式电抗器是电力系统的主设备之一，本项目采用分布式光纤，基于温感监测方法建立了现场实施的方案，并且在国网公司500kV变电站的干式电抗器上安装了监测系统，取得了监测的技术数据，解决了干式电抗器故障前无法监测的技术难题，对干式电抗器的安全稳定运行意义重大。

干式电抗器测温系统展示示意图如图5所示：
图5：干式电抗器测温系统展示示意图
具体监测验收指标如表1所示：
表1：验收指标
验收项目验收指标是否符合验收标准系统附件稳定性采用非金属绝缘物固定符合
是否有爬电风险采取必要措施避免产生爬电风险符合
配件是否满足标准严格按照行业标准施工符合
警示标识是否清晰严格按照电力部门要求执行符合
项目培训是否全面对负责人进行培训讲解符合
本项目基于对电网近年来发生的干式电抗器烧损事故的分析和关于电抗器温度场和电磁量的研究，研制了电抗器分布式光纤测温系统，并在500kV变电站进行了试点应用。

电抗器分布式光纤测温系统采用分布式光纤测温技术，光纤具有温度传感和信号传输功能，与高压设备无电气连接，具备良好的绝缘性能，具有易安装维护、安全、稳定的特点。

６．　结论
分布式光纤测温系统可以实时监测长距离、大范围的温度分布。

由于光纤本身即为传感器，防燃、防爆、防腐蚀、耐高压和强电磁场、耐辐射，本质安全、抗干扰性强、无击穿、烧毁等问题。

现场只有敷设的光纤或光缆，无电子设备，系统可靠性高。

可根据需要调整过热过冷报警阈值。

系统可以对整个被检测区域和监测点的故障趋势进行智能分析，并准确定位。

完全可以解决传统监控系统存在的不足，最优化实现对电抗器的监控保护。

通过采用分布式光纤测温系统，在电抗器运行过程中，分布式光纤监测系统能准确实时监测到电抗器运行过程中的温度变化，对现场传来的温度数据使用了专用计算机软件进行分析和处理，准确定位，为设备正常运行和维护提供了有利的保障。

电抗器在运行过程中发生故障，将不仅影响到电网的正常工作，且每台电抗器的价值都在数十万至近百万元不等，给国家和企业造成较大的损失。

在全国范围内，66kV干式电抗器采用分布式光纤测温在线监测系统尚无正式应用案例。

本文提出的成果推广后的经济效益较大，其直接经济效益是可根据各方实际数据进行测算，并可根据监测数据延长维保周期，并更进一步确保电网系统安全运行，避免由于电抗器故障所带来的经济损失和社会影响。

测量范围-30℃—+120℃符合
报警方式定温/差温/差定温符合
探测方式分布式符合
恢复性能可恢复式符合
功能构成探测报警型符合
测量距离4km/通道符合
通道数量1符合
测量方式单端符合
测量精度±1℃符合
响应时间2s/km符合
温度分辨率0.1℃符合
定位精度＜1m符合
巡检周期≤10s符合
设备光端接口FC/APC符合
主机工作温度0℃—40℃符合
主机工作湿度＜95％RH符合
工作电源220VAC/50Hz符合
最大功耗50W符合
[1] 赵玉明，李长忠，酱延忠，等.基于拉曼散射分布式光纤测温系统的理论分析[J].计量学报，2007（11）.
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参考文献
作者简介
刘畅，女，辽宁丹东人，学士学位，毕业于辽宁大学应用化学专业，2014年进入光纤光缆行业，现任沈阳亨通光通信有限公司工艺工程师。