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光纖溫度傳感器在高壓避雷器熱點(diǎn)溫度監(jiān)控的應(yīng)用方案
（歐普申光電科技有限公司）
摘要：光纖溫度傳感器由于光纖本身的特性使得其具有傳統(tǒng)溫度傳感器所無(wú)法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并且由于光纖具有抗電磁干擾、電絕緣、體積小、耐腐蝕、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)高壓避雷在線溫度監(jiān)控。本文主要介紹加拿大OPSENS光纖傳感器在高壓避雷器（MOA）的在線溫度監(jiān)控。
1. 引言
我國(guó)自80 年代以來(lái)已有大量的高壓MOA (主要指110 kV 及以上電壓等級(jí)) 投入電網(wǎng)運(yùn)行 , 特別交流特高壓避雷器(MOA)作為1000kV交流特高壓系統(tǒng)的重要過(guò)電壓保護(hù)裝置,其安全運(yùn)行對(duì)電力設(shè)備乃至整個(gè)特高壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。避雷器在運(yùn)行電壓作用下長(zhǎng)期工作會(huì)使MOA的電阻片老化，同時(shí)由于環(huán)境條件的影響,MOA的電阻片會(huì)受潮及劣化,一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)電壓,MOA可能熱崩潰, 甚至爆炸。溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過(guò)程都與溫度有關(guān)，許多設(shè)備的故障是由異常溫升而造成。高壓斷路器中正常的導(dǎo)電回路，在正常運(yùn)行時(shí).長(zhǎng)期通過(guò)工作電流，產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，使電器材料溫度升高不�?huì)超出規(guī)定范圍，但導(dǎo)電回路不正常時(shí)，會(huì)使電器材料溫度升高超出規(guī)定范圍，而使電器材料的機(jī)械強(qiáng)度、物理性能等下降，因此在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同電器材料允許長(zhǎng)期工作溫度。采用光纖溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避雷器為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器的受潮、老化和其他隱患，避免因事故造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，以提高避雷器產(chǎn)品可靠性，同時(shí)光纖溫度傳感器是高壓避雷器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是非常有效的手段。目前溫度是導(dǎo)致高壓避雷器老化的重要因素，必須對(duì)避雷器溫度參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。高壓避雷器（MOA ）能量吸收能力和老化或受潮導(dǎo)致的能量損耗主要來(lái)自溫度的影響。當(dāng)避雷器正常運(yùn)行條件下, 能量吸收大于 能量損耗, 溫度變化很小, 出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí), 溫度可能暫時(shí)會(huì)有所上升, 但會(huì)慢慢恢復(fù)。但在老化或受潮時(shí), 溫度會(huì)逐步上升。因此溫度是判定高壓避雷器MOA 運(yùn)行狀態(tài)重要參數(shù)結(jié)果, 在持續(xù)運(yùn)行電壓下高壓避雷器（MOA ）的過(guò)熱直接與能量損失相關(guān), 而與運(yùn)行電壓的質(zhì)量及外界干擾等無(wú)直接關(guān)系。將光纖溫度傳感器放在避雷器內(nèi)部, 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避雷器溫升變化的有效手段。
2. 原理和實(shí)施方案
原理：加拿大Opsens光纖溫度傳感系統(tǒng)采用半導(dǎo)體能帶間隙吸收技術(shù)（也稱GaAs技術(shù)），微小的GaAs感應(yīng)晶體固定在光纖頂端，適合頂部測(cè)量應(yīng)用。OTG-A有光纖溫度傳感器的固有優(yōu)勢(shì)，與Opsens SCBG 信號(hào)解調(diào)器兼容，提供史無(wú)前例的可重復(fù)性和可靠性。 適用于高電磁,射頻，磁共振和微波等大多數(shù)不利條件。OTG-A光纖溫度傳感器的測(cè)溫范圍-40°C-250°C，高達(dá)350°C的更高溫度范圍可依客戶要求而定。OTG-A光纖溫度傳感器符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，緊壓和堅(jiān)固的光纖溫度傳感器可依據(jù)客戶特殊應(yīng)用或OEM類型應(yīng)用而選擇不同光纜和封裝形式。并且該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓避雷器（MOA）的熱點(diǎn)溫度監(jiān)控，由于該系統(tǒng)給用戶提供方便使用界面，加拿大OPSENS光纖傳感器在出廠之前已經(jīng)進(jìn)行了NIST標(biāo)定，因此不需要輸入任何傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的即時(shí)顯示。
半導(dǎo)體吸收原理圖
半導(dǎo)體吸收原理：SCBG技術(shù)的溫度傳感器測(cè)量原理是利用了砷鎵介質(zhì)對(duì)光的吸收/反射的特性。砷鎵半導(dǎo)體晶體在不同的溫度下均可產(chǎn)生可測(cè)的光信號(hào)，隨溫度的增加，砷鎵晶體的反射光譜（未被吸收的光）向高波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移。對(duì)于任何溫度，反射光將在一定光波長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生可從0%到100%的跳躍，如上圖所示。而這種溫度與吸收躍變波長(zhǎng)之間的關(guān)系遵從一種穩(wěn)定的模式，它是可測(cè)量的。
高壓避雷器熱點(diǎn)溫度監(jiān)控實(shí)施方案：
國(guó)網(wǎng)電力研究院武漢研究院避雷器實(shí)驗(yàn)室采用了加拿大Opsens 的OTG-A光纖溫度傳感器:
右圖為典型避雷器試品，垂直于地面安裝，避雷器內(nèi)部為串聯(lián)的氧化鋅電阻片。頂端均壓環(huán)部位施加高壓，底部地電位，電壓接通后，電阻片流過(guò)電流，溫度會(huì)緩慢升高。實(shí)際產(chǎn)品中電阻片之間會(huì)有鋁制墊塊，試驗(yàn)時(shí)我們會(huì)將鋁制墊塊開(kāi)槽，然后將探頭放入鋁墊塊中，探頭的光纖線從避雷器底部牽出，試品總高度約2.5米，考慮高壓安全距離，光纖長(zhǎng)度需大于10米，探頭耐溫高與150度。
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高壓避雷器
1. 以4個(gè)點(diǎn)測(cè)試為例；采用4個(gè)OTG-A光纖溫度傳感器 一個(gè)四通道TempSens信號(hào)解調(diào)器。
OTG-A光纖溫度傳感器
技術(shù)數(shù)據(jù)：溫度范圍：-40°C-250°C（其它范圍可以按要求定制）
精 度：±0.8℃
響應(yīng)時(shí)間：0.5s
標(biāo) 定：NIST標(biāo)準(zhǔn)溯源
TempSens四通道信號(hào)解調(diào)器
技術(shù)數(shù)據(jù)：通道數(shù)：4、8（通道數(shù)可以按用戶要求定制）
兼容性：所有Opsens GaAs光纖傳感器
分辨率：0.1℃
采樣頻率：標(biāo)準(zhǔn)5OHZ
通道掃描速率：最大6.25Hz （每個(gè)通道間的掃描周期=160ms）
輸出接口：±5和標(biāo)準(zhǔn)RS232
實(shí)施過(guò)程：1.在進(jìn)行溫度測(cè)量之前，對(duì)避雷器需要監(jiān)測(cè)溫度的位置進(jìn)行鉆孔預(yù)處理，然后將光纖探頭埋入孔內(nèi)如下圖所示
2.將OTG-A光纖溫度傳感器外部光纖延長(zhǎng)線端的接口接入Tempsens終端信號(hào)解調(diào)器
6.Tempsens信號(hào)解調(diào)器還可以輸出接口、繼電器與PLC外圍設(shè)備相連，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警控制。
3.安裝完后，完成軟件調(diào)試。
軟件優(yōu)勢(shì):
• 大數(shù)量數(shù)據(jù)保存；
• 系統(tǒng)診斷分析；
• 可追溯性；
• 自校正。
總結(jié)：1.OPSens光纖溫度傳感器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是國(guó)際上公認(rèn)的最新避雷器熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)工具！O是高壓避雷器的溫度上升，高溫循環(huán)測(cè)試的理想選擇。光纖溫度傳感器耐高溫，對(duì)電磁/射頻，高電壓和電子干擾完全免疫。通過(guò)光纖測(cè)試系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，補(bǔ)充熱平衡，以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
2.對(duì)Opsens光纖溫度傳感器性能可靠穩(wěn)定、安裝方便,只需將探頭直接接觸物體表面就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量。及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)高壓避雷器溫升變化， 建立溫度檔案，實(shí)現(xiàn)事前管理 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警、安裝方便 直接、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溫度
OPSENS光纖在線監(jiān)測(cè)溫度系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：
• 實(shí)時(shí)的熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，無(wú)需模擬和計(jì)算；
• 驗(yàn)證和優(yōu)化避雷器可靠性；
• 提高變壓器制造質(zhì)量；
• 突發(fā)情況下，在保證安全的情況下輸送更大負(fù)荷；
• 改進(jìn)避雷器內(nèi)部材料發(fā)熱和散熱的基礎(chǔ)知識(shí)；
• 可以更加直觀的監(jiān)測(cè)和評(píng)估避雷器的運(yùn)行情況。
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