传感器在电力设备检测中的应用

传感器在电力设备检测中的应用

电力设备在运行中经常受电的、热的、机械的负荷作用，以及自然环境（气温、气压、湿度以及污秽等）的影响，长期工作会引起老化、疲劳、磨损，以致性能逐渐下降，可靠性逐渐降低。为保证电力系统的安全运行，对系统的重要设备的运行状态进行的监视与检测。监测的目的在于及时发现设备的各种劣化过程的发展，以求在可能出现故障或性能下降到影响正常工作之前，及时维修、更换，避免发生危及安全的事故。

电力设备状态监测的传统方法是经常性的人工巡视与定期预防性检修、试验。设备在运行中由值班人员经常巡视，凭外观现象、指示仪表等进行判断，发现可能的异常，避免事故发生。传统方法效率低，成本高，且可能会给工作人员带来一定危险。随着传感技术与计算机技术的发展，电力设备的状态监测方法向着自动化、智能化的方向发展，设备的定期检修制度向着预警式检修制度发展。电力设备状态的监测涉及面广，大量的非电参量（热学、力学、化学参量等）需要各种相应的传感器，传感技术的发展为此提供了可能。

装备各种传感器的具有状态监测功能的新型电力设备是构成自动化的电力系统的基础，是状态监测和故障诊断的第一步，也是很重要的一步。本文以温度传感器为例，对传感器在实际生产生活中的应用做一简单介绍。

一、检测对象

电力系统中大量设备需要检测温度信息，从而确定电力设备的运行情况，以便运行调度人员及时采取措施，消除异常，避免设备的损坏和事故的发生。

电力设备过热的主要原因是过电流，单仅仅监视电流不能准确反映设备是否超温，因为温度是各种因素影响的综合反映。

主要检测的对象有：电力设备导电连接处、插接处，干式变压器的绕组，电力变压器油温，箱式变电站的出线端、低压开关和高压开关进出线端等等。

二、基本结构及工作原理

温度传感器品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

（1）热电偶：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一

个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。

为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；③补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

（2）热电阻：热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。如Omega公司的PT100温度传感器，就包含一个100欧姆的铂金电阻温度探头。

热电阻测温系统一般由温度传感器热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：②温度传感器热电阻和显示仪表的分度号必须一致；②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

三、输入输出特性

铂电阻与温度之间的关系，在0～630.74 ℃范围内可用下式表示

在－200～0℃的温度范围内为

半导体热敏电阻具有负电阻温度系数，其电阻值随温度升高而减小，电阻与温度的关系可以用下面的经验公式表示：

四、优缺点

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：①测量精度高。因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。②测量范围广。常用的温度传感器热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊温度传感

器热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬)，最高可达+2800℃(如钨-铼)。③构造简单，使用方便。温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

早期通过示温蜡片、数字温度传感器、红外温度仪等获取电力设备温度信息。但是示温蜡片与红外测温仪需要人工巡查，不能满足现代数字化电力系统的要求。数字温度传感器大多基于电量传送，受电磁场影响较大，只能测量关键点，有一定的局限性。光纤温度传感器则克服了以上缺点与不足，具有通信迅速、报警设置灵活、适应恶劣环境等优点。

五、实际应用

（1）电厂某些关键设备的温度监测。例如，利用光纤光栅实现汽轮机内湿蒸汽的湿度与温度测量，同步调相机转子温度的测量，水电站水坝温度监测，目前已有很多现场应用的实例，如分布式光纤测系统存长调水电站、云南大理小湾拱坝等的应用。

（2）电缆隧道火灾监控。发电厂和变电站内火量的高压电气设备都是通过电缆连接的，这些电缆都敷设在厂房或变电站下的电缆隧道。由于电缆隧道环境比较恶劣，且电缆数量较多，容易由于根电缆的绝缘损坏、局部放电而引起大面积的火灾事故，造成严重的经济损失。光纤测温系统可以实时检测光纤沿线温度，测温准确，分辨率较高，并且可以存储历史温度数据用于作进一步分析，可实现多条件报警设置。日前已有不少成功应用的案例，如韶关电厂、济南钢铁等。

（3）高压电力电缆负荷安全监测。温度作为高压电力电缆的一个重要的运行参数越来越受到人们的重视。光纤测温系统测得电缆表皮温度后，结合实时电流计算出电缆线芯温度，可进一步推算出动态载流量并模拟各种运行状态。电缆温度监测可以在电缆全长度范同内发现过热点和异常行为点，包括快速升温点和慢性升温点等，能发现限制电缆载流量的瓶颈点的温度与位置信息，预防电缆故障的同时为电力调度提供科学依据。

参考资料：

[1]周广丽、鄂书林，光纤温度传感器的研究和应用

[2]王昌长、李福祺，电力设备的在线监测和故障诊断

[3]陈津、陈家毅，电力设备温度在线监测技术解决方案探讨