光纤测温在地铁供电系统管理中的应用研究

高 劲,黄山山,余 龙,苏永健



光纤测温在地铁供电系统管理中的应用研究

高 劲,黄山山,余 龙,苏永健

光纤测温具有安全、稳定、抗电磁干扰、测温精度高等优点，可应用于地铁变电站电缆、开关柜等在恶劣、高危环境中的局部过热点的温度监测，及时发现设备故障隐患，保证供电系统的稳定运行。

光纤测温；局部过热；在线监测

0 引言

城市轨道交通系统促进了城市与社会的发展，其供电系统的稳定运行为轨道交通系统提供重要保障。随着轨道交通的不断延伸与运力的增加，供电系统负荷不断攀升，变电站内的电缆和开关柜接线触点会产生局部过热现象，及时掌握电缆、接头的温度情况可有效避免故障发生，确保地铁供电系统稳定运行。本文通过介绍光纤测温系统在广州地铁某变电站中的现场应用情况，测试光纤测温技术在地铁变电站中的故障监测效果。

1 电力设备故障分析

1.1 电缆故障原因分析

电缆作为供电系统的“神经”，出现故障的主要原因是由于机械、化学腐蚀、长期过负荷运行等因素造成电缆绝缘层损伤，电缆内部温度升高导致电缆击穿并发生火灾。

1.2 开关柜故障原因分析

开关柜内的电缆接头、直流/交流断路器动静触头及电气设备的连接头由于设备的长期运行，可靠性和接触性能变差，极易出现故障。其原因主要是接头、触头处接触不良，接触电阻较大，在大电流情况下热功率较大，从而造成过热，加剧接触面氧化，使接触电阻进一步增大，触头温升过高，严重时甚至烧毁，造成停电等严重事故。

1.3 电力设备热故障监测

电力设备故障的类型繁多且原因复杂，防止局部温升过高是保证电力设备正常运行的重要手段。由于高压开关柜触头和电缆处于高压、高温以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述环境条件下的适应性，而光纤测温利用光学传感原理，具有安全、大容量、长期可靠、抗电磁干扰、测温精度高、实时在线等优点，可满足上述环境下的温度测量要求。

2 光纤测温技术特点

光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展起来的一种新型传感技术，是20世纪70年代中期以来国际上发展最快的高科技应用技术之一。光纤传感技术主要分为2种，一种是以光纤直接作为传感器，另一种是以光栅为基础的传感器。光纤传感器FOS（Fiber Optical Ssensor）与电传感器有本质区别。光纤传感器以光作为敏感信息的载体，以光纤作为传递敏感信息的媒质，具有抗电磁干扰，耐腐蚀，无源实时监测，电绝缘、防爆性好，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，使用寿命长，传输距离远，维护方便等特点。

3 现场应用

对广州地铁某变电站重要部位进行温度在线监测：110 kV GIS进线电缆、33 kV GIS进出线电缆、DC 1 500 V开关柜出线电缆、整流柜变流功率元件以及主回路连接点、动力变压器出线连接点、直流断路器触头及主回路连接点、交流低压断路器触头、隔离开关连接点、母线槽本体及主回路连接点等。当监测点超温时发出预警信号，应用系统监测预警软件，对母线、电缆的运行温度进行诊断，针对不同故障进行预警（图1）。

图1 光纤测温系统结构

3.1 开关柜监测

针对该地铁变电站的现场情况，在110 kV主变电站电缆夹层内安装1台高精度光纤光栅信号解调仪，对每个出线柜测温点的温度、温升信息进行分析，预警报告。其中，每个1 500 V直流柜进线、出线各设1个监测点；1面负极柜带双隔离刀开关需要设置4个点；整流柜整流二极管设1个监测点，进出线连接点各设1个监测点；AC 380 V交流低压柜三相火线一相零线，进线1个监测点，出线1个监测点；2台33 kV动力变压器出线母线每相各设1个监测点；母线槽中间位置设4个点，两端各4个点，2个转接弯头各设4个点。

3.2 电缆分布式温度监测

DC 1 500 V直流电缆8个回路，每一回路4根电缆，每4根电缆平行敷设，2根直流电缆之间敷设一段分布式测温光缆，每一段为50 m，合计 1 200 m（含10%的冗余）。110 kV和33 kV电缆每一回路为3根电缆（三相）并排敷设，敷设分布式测温光缆时呈S形平行敷设即可，即3根电缆敷设一小段光缆，每一小段为50 m；110 kV电缆2个回路、33 kV电缆6个回路，每个回路电缆敷设1段光缆，合计1 200 m（含10%冗余）。重点监测区域可通过延长光缆长度增加光缆的受热长度，以提高监测的准确性。

3.3 监测软件实施

变电站光纤测温在线监测系统软件在30 s内可完成对电力高压开关柜、直流开关柜、交流开关柜、供电电缆的温度数据的采集、分析处理，实时显示各测点温度分布情况，通过设置报警阈值发现异常温度后，利用声光、短信及时推送报警信息。

4 实施效果

该变电站在光纤光栅、光纤分布式测温系统安装完毕后，对系统精度进行了验证并试运行。

4.1 系统验证

4.1.1 分布式测温精度与定位准确性测试

将分布式测温主机的某通道预留光缆的预留环放入恒温水槽中，保持5 min，读取恒温水槽中的温度计读数，与光纤测温系统主机的记录数据相比较，检验分布式测温系统的精度。为保证数据的准确性，实验共选取50、60、70 ℃做恒温测试，实验方法如图2所示。

图2 分布式测温精度测试方法

通过实际测试，该分布式监测仪器测温精度为±1 ℃，定位精度为±1m，满足现场实际应用需求（图3）。

4.1.2 开关柜母线接头温度测试

光纤光栅测温测试采用非接触式HTY-10红外测温枪，依据《110 kV变电站设备现场检验规范》，将现场R1整流器高压开关柜检测传感器安装位置的温度情况与光纤测温系统主机记录的数据对比，检验光纤光栅测温的准确性，结果显示光纤光栅温度传感器标校误差满足技术指标（表1）。

图3 电缆沿线温度测试

表1 光纤光栅测温测试结果 ℃

4.2 监测数据

图4是2016年1月4日—2月4日整流柜（R1-1U21）R1触点接头的温度变化情况，可以看出，整流柜接头温度变化一致性较好，说明传感器工作正常。分析数据发现，每日早上6：00左右温度最高，说明此刻工作负载最大，电流也较大。

图4 触点历史数据

图5是2016年1月4日—2月4日IP-12变压器侧A、B、C三相电路接头的温度变化情况，由图可以看出，三相温度整体变化趋势基本一致，温度变化高低趋势明显，说明供电运行正常。

图6是110 kV供电电缆Ⅰ回路电缆的表面温度分布情况，该数据为实时数据，从图中看出，电缆表面温度变化相对平稳，温度变化较为恒定，未出现局部过热现象。

图5 触点历史数据

图6 电缆沿线温度分布

5 结语

本案例应用结果表明：分布式光纤测温系统可以连续实时测量电缆沿线内各点的温度，定位精度可以达到1 m的量级，测温精度可以达到±1 ℃，对大范围的温度场可进行有效实时在线检测。

光纤测温系统优势明显，抗电磁干扰，不导电，安全性高，尤其适用于供电设备集中多点温度监控，布线灵活、美观；长久耐用，施工周期短，便于推广。光纤测温技术适合地铁变电站电缆与电力设备的日常监测，可为供电设备的稳定运行提供重要保障。

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[4] 冯洁. 光纤光栅测温技术在变电站开关柜的应用研究[J]. 中国高新技术企业，2012（21）：136-135.

The optical fiber temperature measurement technology has advantages of intrinsically safety, long-term stability, electromagnetic interference-proofing and high accuracy for temperature measurement. It can be applied at harsh and high risk environments in subway substation to monitor local overheating of cables and cabinets, find potential risks of equipment and guarantee reliable operation of power supply system.

Optical fiber temperature measurement; local overheating; on-line monitoring

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.005

U231.8

B

1007-936X(2017)05-0019-03

高 劲.广州地铁集团有限公司，工程师；黄山山.广州地铁集团有限公司，工程师；余 龙.广州白云电器设备股份有限公司，高级工程师；苏永健.广州白云电器设备股份有限公司，工程师。

2017-04-19