直接監(jiān)測(cè)變壓器/互感器繞組等高壓設(shè)備的熱點(diǎn)溫度,對(duì)于提高設(shè)備的安全運(yùn)行、延長(zhǎng)設(shè)備絕緣壽命、即時(shí)判斷設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷能力以提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益等,都具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。而目前我國輸變電及發(fā)電行業(yè)在這方面的實(shí)際應(yīng)用幾乎為零,突顯了我國與發(fā)達(dá)國家在輸變電裝備領(lǐng)域的差距。

       本文論述了目前國際上成熟運(yùn)用熒光式光纖傳感器,監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備熱點(diǎn)溫度的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了國內(nèi)推廣運(yùn)用這一新技術(shù)所面臨的問題及目前現(xiàn)狀,分析了應(yīng)用的可行性、方法及前景。

       變壓器等高壓電氣設(shè)備,是輸變電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,它們的安全可靠性和使用壽命,對(duì)整個(gè)輸變電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和壽命是至關(guān)重要的。這些高壓設(shè)備大多采用封閉結(jié)構(gòu),長(zhǎng)期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中,使得熱量聚集。發(fā)熱溫升增加了輸電系統(tǒng)的損耗,如果散熱不良還會(huì)危及設(shè)備的正常運(yùn)行,甚至?xí)斐晒收?社會(huì)不良影響和經(jīng)濟(jì)損失不可估量。

       由于技術(shù)產(chǎn)品成熟度和成本等等原因,目前市場(chǎng)上還沒有能夠完全滿足高壓電氣設(shè)備在線溫度監(jiān)測(cè)的可靠技術(shù)和成熟產(chǎn)品,現(xiàn)在這些關(guān)鍵設(shè)備普遍沒有安裝熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),使得輸變電系統(tǒng)惡性事故的預(yù)測(cè)、預(yù)防和監(jiān)控缺乏有效的技術(shù)手段。成熟產(chǎn)品化的熒光式光纖溫度傳感系統(tǒng)的上市，填補(bǔ)了這一市場(chǎng)空白。由于光纖溫度傳感器產(chǎn)品全絕緣、尺寸小,可以直接測(cè)出高壓電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱點(diǎn)的最高溫度。這樣就可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控溫度,預(yù)測(cè)、預(yù)防事故,同時(shí)實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)設(shè)備的絕緣壽命,判斷設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷能力,為設(shè)備能否超負(fù)荷安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù),提高經(jīng)濟(jì)效益。

一、對(duì)高壓變壓器等高壓電氣設(shè)備實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)的意義

       1.在變壓器等高壓設(shè)備內(nèi)部的熱點(diǎn)附近埋光纖式溫度傳感器,從多個(gè)傳感器探測(cè)繞組等設(shè)備內(nèi)部熱點(diǎn)溫度是將來的發(fā)展趨勢(shì)。從安全角度考慮,在不同的外圍溫度下,以不同容量運(yùn)行的變壓器,其繞組熱點(diǎn)溫度不能超過絕緣材料耐熱等級(jí)所允許的最高熱點(diǎn)溫度值。例如油浸式變壓器的最高熱點(diǎn)溫度限值為140℃,如果繞組熱點(diǎn)溫度超過了這一溫度,則部分油就會(huì)因裂解而生成氣體,絕緣材料的性能就會(huì)降低,導(dǎo)致因氣體或絕緣擊穿而發(fā)生事故。

       2.從變壓器等高壓設(shè)備的壽命角度來看,所選用的各種耐熱等級(jí)的絕緣材料都有熱老化壽命的溫度指標(biāo)。高壓設(shè)備的壽命取決于絕緣的老化,而絕緣的老化又主要取決于運(yùn)行的溫度。就油浸式變壓器而言,當(dāng)繞組熱點(diǎn)溫度為98℃時(shí)具有額定標(biāo)牌壽命;F級(jí)干式變壓器繞組熱點(diǎn)溫度為140℃時(shí)具有額定標(biāo)牌壽命。故在產(chǎn)品運(yùn)行中必須注意設(shè)備最熱點(diǎn)溫度,不能超過該耐熱等級(jí)的熱點(diǎn)溫度允許值。據(jù)最新研究表明,繞組熱點(diǎn)溫度每增減6Kv,絕緣預(yù)期壽命會(huì)減一半或增一倍(過去認(rèn)為干式變壓器為每增減IOKv)。變壓器在運(yùn)行時(shí),繞組溫度分布是不均勻的,決定絕緣壽命的關(guān)鍵因素是繞組最熱點(diǎn)的絕對(duì)溫度,而不是繞組平均溫度。新修訂的電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則(}EC一354)認(rèn)為:“繞組最熱區(qū)域內(nèi)達(dá)到的溫度,是變壓器負(fù)載值的最主要限制因數(shù),故應(yīng)盡一切努力來準(zhǔn)確地決定這一溫度值”。所以,對(duì)大容量變壓器而言,必須在結(jié)構(gòu)上保證繞組熱點(diǎn)溫度在合格范圍內(nèi),在運(yùn)行中能控制繞組熱點(diǎn)溫度的最高允許值,并能計(jì)及熱點(diǎn)溫度使絕緣預(yù)期壽命降低的情況,并設(shè)法以降低熱點(diǎn)溫度來補(bǔ)償所由于溫升而犧牲的命。

       3.從輸變電設(shè)備的運(yùn)行效率來看,在變壓器配備了穩(wěn)定可靠的溫控系統(tǒng)之后,我們就可以根據(jù)該系統(tǒng)提供的參數(shù),在合理的范圍內(nèi)充分發(fā)揮設(shè)備的負(fù)載能力,從而提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。以北美一臺(tái)IOOMVA的變壓器為例:

       (1)標(biāo)定功率:IOOMVA

       (2)假設(shè)因加裝溫控系統(tǒng)能夠增加額外容量:10%

       (3)假設(shè)系統(tǒng)年超載工作時(shí)間為:450zJ、時(shí)/年

       (4)輸變電帶來的經(jīng)濟(jì)利益:$80/MWh

       (5)從10%超載負(fù)荷獲得的年經(jīng)濟(jì)效益=lx2x3x4=$360,000

       (6)測(cè)溫系統(tǒng)安裝成本:$10,000

       (7)假定變壓器壽命20年:180,000hr

       (8)在110%負(fù)荷時(shí)的壽命折損因子(125℃):34因加裝溫控系統(tǒng)增加的平均成本=《(5/6)*7*3)=$85因加裝溫控系統(tǒng)產(chǎn)生的年均經(jīng)濟(jì)利益:$360,000一$85=$359,915

二、高壓設(shè)備的熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)控的技術(shù)難點(diǎn)

       直接測(cè)量高壓設(shè)備的熱點(diǎn)溫度,技術(shù)上有很多困難,主要問題有:高壓絕緣、強(qiáng)電磁干擾、系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定性等。目前國內(nèi)高壓電氣設(shè)備溫控技術(shù)主要采用熱電阻(Pt1OO)、熱電偶(高阻線)等電類傳感器測(cè)溫、壓力式溫度計(jì)、紅外測(cè)溫、傳光型“光纖”溫度傳感模塊和GpRS無線傳輸?shù)?。以上這些技術(shù)方法,首先遇到的困難是高壓絕緣問題:電類傳感器、氣壓式測(cè)溫系統(tǒng)《如W丁ZK/BWY/日WR系列等)、以及紅外測(cè)溫等方法,都面臨無法徹底解決金屬導(dǎo)線、金屬零部件或屏蔽措施、高壓區(qū)安裝壓力溫包或紅外探頭對(duì)高壓設(shè)備絕緣安全帶來的絕緣隱患。

       其次是電磁干擾問題,弱電溫度信號(hào)在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中受到干擾,使得系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性受到置疑。第三是金屬導(dǎo)線和金屬零部件在電磁環(huán)境中產(chǎn)生渦流、造成損耗和自身發(fā)熱的問題。第四的系統(tǒng)壽命問題,尤其是傳光型的點(diǎn)式“光纖型”溫度傳感器、G尸日S無線傳輸型溫度傳感系統(tǒng)和氣壓式測(cè)溫系統(tǒng),系統(tǒng)壽命問題尤為突出:“光纖型”溫度傳感器(如OPt一e一3000,DTS一2等)和GPRS無線傳輸型溫度傳感系統(tǒng)(如A丁一11無線測(cè)溫系統(tǒng))存在模塊內(nèi)供電電池及其他零件長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作壽命短及維護(hù)困難等問題,造成系統(tǒng)整體可靠性下降,實(shí)用性受到影響。氣壓式測(cè)溫系統(tǒng)會(huì)隨著溫包內(nèi)部壓力的泄漏而使整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)報(bào)廢。

       綜上所述,熱電阻、熱電偶等電類傳感器測(cè)溫都需要用金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào),由于電磁干擾、金屬零部件/導(dǎo)線在強(qiáng)電磁環(huán)境下,存在嚴(yán)重的電磁干擾和渦流發(fā)熱現(xiàn)象,以及無法保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的高壓絕緣性能,使之在高壓電氣溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,存在先天不足。

       壓力式溫度傳感器存在著測(cè)溫腔體中高壓氣體或液體的泄露問題,其可靠工作壽命和靈敏度、精度都無法保證。金屬制品溫包在高壓及強(qiáng)電磁環(huán)境中的安裝也是很大的問題。GpRS無線傳輸和傳光型的點(diǎn)式“光纖型”溫度傳感模塊,可靠穩(wěn)定性差,誤報(bào)率高,維護(hù)困難,間隔一定時(shí)間就要更換發(fā)射/測(cè)溫模塊電池等問題,并且同樣存在破壞設(shè)備原有絕緣的問題,使得該產(chǎn)品也難以推廣。

       紅外測(cè)溫為非接觸式可視測(cè)溫,只能在可視的情況下測(cè)量設(shè)備表面溫度,并且易受環(huán)境溫度和電磁場(chǎng)干擾,不易實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控,需要人工操作。而且電氣設(shè)備內(nèi)部空間狹小,發(fā)熱點(diǎn)通常比較隱蔽,無法保證安裝紅外探頭的安全距離。另外該方法還需要知道被測(cè)物體的發(fā)射率,要保證被測(cè)物體的輻射充分抵達(dá)紅外探測(cè)器,還要盡量消除背景噪聲。另外,傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品的感溫探頭體積過大(如optje一3000為6X3.2X2.8em)、存在金屬零件(如屏蔽網(wǎng)、屏蔽外殼、壓力溫包、紅外探頭等)問題,也給上述測(cè)溫系統(tǒng)在變壓器繞組或其他高壓電氣設(shè)備內(nèi)部安裝帶來不便,對(duì)系統(tǒng)對(duì)溫度的時(shí)間響應(yīng)速度帶來不利影響。

       以上方法受苛刻的環(huán)境條件及電磁干擾的影響都比較嚴(yán)重。技術(shù)手段的局限性,使得他們無法從根本上去除這些影響,因此也就無法根本解決提高系統(tǒng)可靠穩(wěn)定性、減小測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)原有設(shè)備的負(fù)面影響等核心問題,這些都成為這些技術(shù)方法進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的瓶頸。

三、光纖測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用可行性

       熒光式光纖傳感器測(cè)溫系統(tǒng),是專門針對(duì)高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)控應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,它采用光學(xué)原理的傳感器件和光信號(hào)傳輸通道,有著良好的電磁不敏感性,傳感器尺寸小,可靠穩(wěn)定,本安型,易于在狹小的高壓設(shè)備內(nèi)部安裝,能很好地適應(yīng)高壓和大電流的檢測(cè)環(huán)境,從根本上解決了電類、壓力類及紅外測(cè)溫系統(tǒng)的缺陷。構(gòu)成光纖傳感器測(cè)溫探頭的材料絕緣性能化學(xué)和機(jī)械性能極佳,特別適合應(yīng)用于高壓環(huán)境,不會(huì)給大系統(tǒng)帶來負(fù)面影響。光纖傳感器能夠?yàn)楸O(jiān)控系統(tǒng)提供更加準(zhǔn)確可靠的線圈熱點(diǎn)溫度值,從而使設(shè)計(jì)人員能夠準(zhǔn)確把握溫度對(duì)設(shè)備的影響,從而將風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)確控制在安全的范圍之內(nèi)。從2002年開始,沈變就開始嘗試在變壓器中采用光纖傳感器進(jìn)行測(cè)溫,之后在出口美國的多臺(tái)大型變壓器中,成功進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用,至今工作良好,成為國內(nèi)第一家實(shí)際應(yīng)用的設(shè)備制造商?，F(xiàn)在光纖測(cè)溫系統(tǒng)的技術(shù)成熟度和產(chǎn)品化程度,已經(jīng)比幾年有了大幅度的提高,目前價(jià)格也已經(jīng)成倍下降,該項(xiàng)技術(shù)在高壓電氣溫度監(jiān)測(cè)方面大面積應(yīng)用的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。針對(duì)光纖測(cè)溫新技術(shù)在高壓電氣溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)控的應(yīng)用,國家電網(wǎng)公司、電力設(shè)計(jì)院的多位專家從2002年起就開始關(guān)注并呼吁國家監(jiān)管機(jī)構(gòu)、設(shè)備制造廠商、發(fā)電和輸變電企業(yè)和科研機(jī)構(gòu),積極推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的推廣與應(yīng)用,主要觀點(diǎn)如下:

       1.光纖傳感器是一項(xiàng)適用于高壓設(shè)備測(cè)溫、提高系統(tǒng)安全性的新技術(shù)。目前我國實(shí)際應(yīng)用還較少,但非常值得在高壓輸變電領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

       2.建議國內(nèi)高壓設(shè)備廠家接受這一技術(shù)作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并在高壓設(shè)備上的安裝應(yīng)用。

       3.建議輸變電及發(fā)電行業(yè)業(yè)主在招投標(biāo)文件中,將這項(xiàng)技術(shù)納入標(biāo)書范疇。

       4.建議國內(nèi)電力研究部門積極開展高壓輸變電系統(tǒng)設(shè)備中應(yīng)用這一技術(shù)的研究。

       5.這一方法原理簡(jiǎn)單,技術(shù)先進(jìn),成本隨著市場(chǎng)的迅速擴(kuò)大正在快速降低。在達(dá)到一定應(yīng)用量時(shí),其費(fèi)用不會(huì)比常規(guī)的測(cè)溫設(shè)備費(fèi)用高出多少,尤其與變壓器、可控硅閥等大型設(shè)備配套安裝時(shí),其費(fèi)用可以忽略不計(jì),這成為一個(gè)備受用戶關(guān)注的有利理由。

四、目前阻礙光纖傳感技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中應(yīng)用的主要問題

       1.缺乏國家權(quán)威標(biāo)準(zhǔn):國家主管部門還沒有出臺(tái)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),輸變電行業(yè)業(yè)主及設(shè)計(jì)院不愿意主動(dòng)承擔(dān)應(yīng)用新技術(shù)帶來的政策、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

       2.該技術(shù)的應(yīng)用給設(shè)備制造商在制造工藝及質(zhì)量控制等方面提出更高的要求:由于系統(tǒng)可以對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度進(jìn)行直測(cè)直讀,要求制造商在設(shè)計(jì)、制造時(shí),更好地解決散熱冷卻、繞組排列、電流密度、熱點(diǎn)分布、漏磁及環(huán)流渦流損耗等問題,同時(shí)還要解決光纖探頭在線圈、鐵心內(nèi)部的安裝流程等工藝問題。

       3.市場(chǎng)對(duì)新技術(shù)的認(rèn)知度還不高,對(duì)新技術(shù)產(chǎn)品的宣傳推廣力度有待加強(qiáng)。

       4.用戶在等待質(zhì)量穩(wěn)定、價(jià)格適當(dāng)?shù)膶?shí)用化、批量生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品上市。

五、市場(chǎng)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

       由西安和其光電科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的熒光式光纖傳感器產(chǎn)品,是專門針對(duì)高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的,它無論在產(chǎn)品性能、質(zhì)量,還是成本,都達(dá)到了全球領(lǐng)先的水平,具有最高的性能價(jià)格比。

       光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用,可以大幅度提高輸變電設(shè)備的安全可靠性,提高設(shè)備運(yùn)行效率,減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著市場(chǎng)認(rèn)知度的提高、成熟產(chǎn)品的上市、設(shè)計(jì)及制造工藝的日趨完善、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步建立,光纖傳感器技術(shù)在高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的前景是無可質(zhì)疑。

六、結(jié)論及建議

       光纖傳感技術(shù)產(chǎn)品的特點(diǎn)非常突出,特別適合應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè),相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的,可以給輸變電及發(fā)電行業(yè)帶來直接的好處,是一項(xiàng)特別值得全面推廣的新技術(shù)。建議國家相關(guān)管理部門積極研究該技術(shù)在電力行業(yè)的推廣與應(yīng)用,積極培育市場(chǎng),向國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)提出明確需求,促進(jìn)應(yīng)用技術(shù)的市場(chǎng)化、產(chǎn)品化。建議生產(chǎn)廠家積極研究該技術(shù)在設(shè)備制造中的應(yīng)用,通過技術(shù)進(jìn)步提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。比如在變壓器等高壓設(shè)備中埋設(shè)光纖傳感器之前,可用先通過模擬計(jì)算,對(duì)高壓設(shè)備熱點(diǎn)溫度的分布情況先作分析,確定最熱點(diǎn)所在的大致位置。工藝設(shè)計(jì)方面可以采取一下措施:設(shè)計(jì)暢通油路、采用適當(dāng)?shù)乩@組電流密度、采用換位導(dǎo)線降低環(huán)流耗及渦流耗、采用大功率高效冷卻器等。

       建議業(yè)主和設(shè)計(jì)部門在充分的市場(chǎng)調(diào)查基礎(chǔ)上,積極推廣這一技術(shù)在行業(yè)的應(yīng)用,將該技術(shù)納入項(xiàng)目招標(biāo)書標(biāo)準(zhǔn)要求的范疇。建議系統(tǒng)集成商積極圍繞這個(gè)新技術(shù)產(chǎn)品,進(jìn)行有針對(duì)性的應(yīng)用開發(fā),提高該技術(shù)的附加價(jià)值。