开关柜光纤光栅测温预警系统论文和设计-王志东

全文摘要

本实用新型一种开关柜光纤光栅测温预警系统，所述系统包含有光纤光栅温度传感器、光分路器、光纤光栅解调仪和服务器；光分路器安装于开关柜的外壁上，且光纤光栅温度传感器的光纤（3）穿出开关柜后接入光分路器的进线端，光分路器的出线端经通讯母光缆连接至光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪将解调后的信号通过网络连接至服务器。本实用新型一种开关柜光纤光栅测温预警系统，其结构简单、使用成本低廉且能够进行实时在线精确监测。

主设计要求

1.一种开关柜光纤光栅测温预警系统，其特征在于：所述系统包含有光纤光栅温度传感器、光分路器、光纤光栅解调仪和服务器；所述光纤光栅温度传感器包含有陶瓷基座（1），所述陶瓷基座（1）顶部下凹形成有一凹坑，该凹坑内填满有导热油，且凹坑的坑壁上设置有一豁口（1.1），光纤（3）的一端穿过豁口（1.1）插置于陶瓷基座（1）的凹坑内，且陶瓷基座（1）的顶部覆盖有一陶瓷盖板（2），陶瓷基座（1）与陶瓷盖板（2）的接缝之间、以及豁口（1.1）内填充密封胶将凹坑内的导热油密封在陶瓷基座（1）内，且光纤（3）的一端插置并悬浮于导热油内；所述陶瓷基座（1）的背面设置有结构胶层（4），多个光纤光栅温度传感器通过结构胶层（4）粘附于开关柜内的触头或母排上；光分路器安装于开关柜的外壁上，且光纤光栅温度传感器的光纤（3）穿出开关柜后接入光分路器的进线端，光分路器的出线端经通讯母光缆连接至光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪将解调后的信号通过网络连接至服务器。

设计方案

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种测温预警系统，尤其是涉及一种利用光纤光栅测温方式对开关柜内温度进行实时动态监测并进行预警的系统。

背景技术

电力系统中的一次电气设备一般由断路器、变压器、电缆、母线、开关柜等电气设备组成；其相互之间由母线、引线、电缆等连接,由于电流流过连接点必然产生热量，而同时几乎所有的电气故障都会导致故障点温度的变化；因此对开关柜等电力系统中的设备进行温度监控，是及时发现故障的一种常规做法。多年来由于技术水平的限制使电力系统安全运行水平受到一定限制，虽然曾利用红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、传统的点式测温系统希望解决上述问题，但无法实现实时监测，只能进行定期检查，存在漏查漏报的安全隐患。另外近年来逐渐采用无线测温的方式对设备触点进行测量，这种方式在一定程度上解决了以往的定期监测带来的盲目性，但是由于该类传感器需要因此亟需开发一套适用于高压开关柜、刀闸等温度监测设备。

对于开关柜而言，为提高开关柜运行状况，保护人员安全，如今常规的开关柜全部为金属密封结构，传统的开关柜测温系统已经不能适用于新的开关柜，尤其是KYN 型中置移开式开关柜，其导电部位在运行时全部由绝缘材料遮挡，常规的红外测温手段无法对其内部设备进行测量，必须采用开关柜内部测量的方法，实时监测大电流开关柜内部元件运行情况，及早发现故障源头，杜绝事故的发生。

目前，对于开关柜而言，国内外常用的温度测量方式有接触式测量方法和非接触式测量方法两种：一、将传感器与被测物体直接接触，使得传感器与被测物体保持同一温度的测量方法为接触式测温法；二、传感器不直接与被测物体接触，而是通过热辐射原理来测量被测设备温度的方法为非接触式测量方法。

上述两种测量方法在开关柜温度检测技术中均有广泛的研究，按照检测手段的主要特征可以分为以下几种：

1）红外测温法：

红外测温法是典型的非直接接触测量方法。红外测温法的基本依据是斯特藩一玻耳兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律，黑体是一种理想物体，它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱，而与黑体的具体成分和形状等特性无关，物体自身红外辐射能量的大小及其波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系，通过对物体自身辐射红外能量的测量，从而测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的基本原理。现在的红外测温仪一般都由光学系统、红外探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其核心是红外探测器，它的基本原理是把入射的红外辐射能变换成可测量的其他形式的电信号，该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法计算和校正后转变为被测目标的温度值，然后在光学系统上显示出被测物体温度。

红外测温法始于二战前后，红外测温技术首先应用于军事领域，由美国德克萨兰仪器公司开发研制出第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（FLIR）。六十年代中期，瑞典 AGA 公司研制出第一套工业用的实时成像系统（THV），但存在成本高、体积大、重量重、不便于携带的特点，经过对仪器的几代改进，1988 年推出的全功能热像仪，将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体，仪器的功能、精度和可操作性都得到了显著的提高。九十年代中期，美国 FSI 公司首先研制成功由军用技术（FPA）转民用并商品化的红外热像仪（CCD），技术功能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的 PC 卡上，即完成全部操作，各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告。由于技术的改进和结构的改变，取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于二公斤，使用中如同手持摄像机一样，单手即可方便地操作。随后红外测温技术在电力行业得到了较为广泛的应用，各种红外测温仪纷纷研制成功并大量投入市场，操作更加方便，体积更加小巧，目前红外测温仪只需设定好参数，对准被测物体即可立即测得物体的表面温度，并拥有拍照和自动寻找最高测温点的功能，现场使用十分方便，从而得到了普遍的应用，并成为电力行业设备测温的主要技术手段，其缺点是只能对暴露在空气中的设备进行测量，虽然部分高校也研制出了高压开关柜红外测温系统，但对于 1高压开关柜，红外探头测温的方式容易受到开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的影响，不能准确测得触头温度，虽然可以采取一定的校正，但红外辐射的影响因素很多且具有时变性，无法对其一一校正，因而这种方式通用性较差，无法推广使用，该法只适用于早期的开关柜结构，不能适用于带绝缘包扎的高压开关柜测量。

2）无线测温法

无线测温法是对接触式测温方法的改进，主要是为了解决测温设备和电力系统高低压隔离而产生的一种新型测温方法，一般无线测温系统通常由三部分组成：分布式测温节点、数据接收器、后台数据处理系统。分布式测温节点直接安装在需要测温的部位，属于接触式测温方法，数据接收器放置在距离开关柜体一定距离的地方，分布式测温节点与数据接收器之间采用无线通讯方式进行数据的传输，从而实现高压隔离和测温数据的采集，解决高压关柜内触点运行温度不易被红外测温法监测的难题。

无线测温虽然较好的解决了测温装置的安全性问题，但在实际应用中也存在一些问题，其中置于开关触头位置处测温装置的工作稳定性问题是一个最为核心的问题，在实际应用中，该模块的电源常为从电力线获取能量的电流感应式电源（若采用电池供电，不但需要定期更换电池，而且电池在高温环境下和电池馈电状态下极易发生误报警，大大影响监测精度），而该电源获取能量的大小随电力线负荷的变化而变化，其变化幅度很大，因而模块时常会出现供电不足的现象，针对该问题，有人提出采用电池、减少测温装置功耗等方法，此种方法存在电池消耗完毕需要定期更换等问题，同时还会带来无线发射功率过小而受到周围电磁干扰，导致测温数据传输出现错误，而更换装置电池需要高压开关柜停止供电，不能满足高压开关柜持续运行的工作要求。

3）无源无线测温

有些研究用表面声波器件做成温度传感器，通过天线反馈出温度变化信息．无需给传感器件供电，解决有源无线测温电池引起的相关问题，但这种器件不成熟，使用的晶体材料热稳定性差，价格昂贵．而且并没有改善无线传输方式的信号质量。

为此，亟需一种能够解决上述问题的开关柜光纤光栅测温预警系统，其能够方便的对开关柜内的温度进行低成本且实时、精确的检测。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种开关柜光纤光栅测温预警系统，其结构简单、使用成本低廉且能够进行实时在线精确监测。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种开关柜光纤光栅测温预警系统，所述系统包含有光纤光栅温度传感器、光分路器、光纤光栅解调仪和服务器；所述光纤光栅温度传感器包含有陶瓷基座，所述陶瓷基座顶部下凹形成有一凹坑，该凹坑内填满有导热油，且凹坑的坑壁上设置有一豁口，光纤的一端穿过豁口插置于陶瓷基座的凹坑内，且陶瓷基座的顶部覆盖有一陶瓷盖板，陶瓷基座与陶瓷盖板的接缝之间、以及豁口内填充密封胶将凹坑内的导热油密封在陶瓷基座内，且光纤的一端插置并悬浮于导热油内。

本实用新型一种开关柜光纤光栅测温预警系统，所述陶瓷基座的背面设置有结构胶层，多个光纤光栅温度传感器通过结构胶层粘附于开关柜内的触头或母排上；光分路器安装于开关柜的外壁上，且光纤光栅温度传感器的光纤穿出开关柜后接入光分路器的进线端，光分路器的出线端经通讯母光缆连接至光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪将解调后的信号通过网络连接至服务器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用光纤光栅温度传感器对开关柜内的温度进行实时监测，光纤光栅温度传感器的结构简单、使用方便，大大降低了使用成本；而且利用光纤光栅温度传感器后不易受到干扰且无需供电，因此简化了结构，提高了检测精度；因为开关柜应用光纤光栅温度传感器构成的预警系统实现预警系统后，实现了电力系统一次运行设备的实时在线检测，通过对设备实时数据的分析和预测，防止事故的发生，真正地做到防患于未然。其次也为今后实现状态检修，提高检修效率，大大降低检修成本和管理成本起到关键的作用。

附图说明

图1为本实用新型一种开关柜光纤光栅测温预警系统的示意图。

图2为本实用新型一种开关柜光纤光栅测温预警系统的光纤光栅温度传感器的结构示意图。

其中：

陶瓷基座1、陶瓷盖板2、光纤3、结构胶层4；

豁口1.1。

具体实施方式

参见图1和图2，本实用新型涉及的一种开关柜光纤光栅测温预警系统，所述系统包含有光纤光栅温度传感器、光分路器、光纤光栅解调仪和服务器；

所述光纤光栅温度传感器包含有陶瓷基座1，所述陶瓷基座1顶部下凹形成有一凹坑，该凹坑内填满有导热油，且凹坑的坑壁上设置有一豁口1.1，光纤3的一端穿过豁口1.1插置于陶瓷基座1的凹坑内，且陶瓷基座1的顶部覆盖有一陶瓷盖板2，陶瓷基座1与陶瓷盖板2的接缝之间、以及豁口1.1内填充密封胶将凹坑内的导热油密封在陶瓷基座1内，且光纤3的一端插置并悬浮于导热油内；

所述陶瓷基座1的背面设置有结构胶层4，多个光纤光栅温度传感器通过结构胶层4粘附于开关柜内的触头或母排上；光分路器安装于开关柜的外壁上，且光纤光栅温度传感器的光纤3穿出开关柜后接入光分路器的进线端，光分路器的出线端经通讯母光缆连接至光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪将解调后的信号通过网络连接至服务器；

本实用新型预警系统的预警步骤为：开关柜内各个节点的温度通过相对应的陶瓷基座1传递至陶瓷基座1内的导热油内，构成光纤光栅温度传感器的光纤3将因温度变化而实时获取光信号经光分路器和通讯母光缆汇总至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪将光信号解调成数字信号后通过网络传输至服务器；服务器将根据获取的数字信号绘制温度与时间的曲线图并保存至服务器的存储器内，当温度超过预设值时，服务器通过网络模块将报警信号发送至负责人的手机上、并触发连接于服务器上的报警模块进行报警；

进一步的，当服务器检测到绘制的温度与时间的曲线图中温度上升曲率较大时，进行提示报警发送，此时服务器通过网络模块将提示信号发送至负责人的手机上、并触发连接于服务器上的报警模块进行报警；提示相关人员温度上升异常，极有可能发生故障，提醒相关人员尽快排出故障点。

本实用新型的理论依据及发展为：

光纤测温法；

随着光纤通信和集成光学技术的发展，光纤传感技术在传感器领域表现的异常活跃，与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是光纤本身的物理特性而不是功能特性。光纤传感技术独有光纤质轻、径细、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。首先由于光纤本身是很好的绝缘材料，自然实现电力系统和测量设备的高压隔离，避免测温装置引起设备的安全事故，同时使用光纤作为传输和传感信号的载体，有效克服了电力系统环境中数据传输存在的强电磁干扰，测量结果更加准确。其次光纤具有很好的挠曲性，直径小、重量轻，可以深入到常规传感器所不能达到的部位进行检测，这些特点决定了光纤温度传感器在电力系统温度测量方面的突出优势，是更加适合于高压开关柜温度测量的主要技术手段。

按照光纤测温的原理和作用，光纤测温分为：光纤光栅测温技术与光纤分布测温技术。

光线分布式测温技术是在上世纪 70 年代末提出，它是随着光时域反射(OTDR)技术的出现而发展起来的，是一种利用激光在光纤中传输时产生的背向喇曼散射信号和光时域反射原理来获取空间温度分布信息的监测方法，它将传感光纤沿场分布，并采用相应的探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布及随时间变化的信息进行检测或监控。

光纤光栅测温技术主要器件是 Bragg 光纤传感器。1978 年，加拿大通信研究中心首先发现光纤光敏性，并且采用驻波写入法获得自感应光栅。1989 年 G．Meltz 等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化。到 1993 年光纤敏化技术的进步和相位掩模板的使用使光纤光栅实现批量生产。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。实际工程中所用光纤是一种在纤芯中加入了光敏材料的特殊光纤，利用光敏光纤的光折变效应，用紫外激光向光纤纤芯侧面写入，紫外曝光后会使纤芯的折射率增加，形成折射率周期变化的光栅结构，通过测量反射光波长的变化，从而测得被测物体的温度。

上述光纤光栅测温技术的测温特点决定了光纤温度传感器在电力系统温度测量方面的突出优势，是更加适合于电力开关柜温度测量的技术手段。

针对上述具体实施方式进一步的阐述：

1）、光纤光栅解调仪：

用于光纤光栅温度、应变、压力、位移等多种类型的光纤光栅传感数据采集和传感器信号解调。光纤光栅解调仪围宽，分辨率高，动态范围大，高稳定。同步扫描典型频率可在1～5Hz之间设定，最高可达1KHz；内置波长校准；兼容国内外厂商的同类型光纤光栅传感器。

工作原理：

基于F-P滤波器的特性，利用数字信号发生器产生的三角波作为周期性的线性扫描电压来驱动F-P滤波器工作，从而将宽带光源调制为波长与线性扫描电压对应的可调谐窄带问讯光源。问讯窄带光经耦合器进入被测FBG传感器阵列，其反射光谱经光探测器和采集卡转换为数字信号进入计算机，作为待解调数据。问讯窄带光经耦合器进入带标记热稳定性标准具模块，其透射光谱经光探测器和采集卡转换为数字信号进入计算机，作为实时校准数据。

2）、光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器是直接安装在被测物体表面的测温元件，能快速准确反应所在位置的温度信息。

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，使其纤芯折射率沿轴向呈现周期性规律分布的光栅，形成的一种特殊无源器件，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)光滤波器或反射镜，具有波长选择滤波器的性能。外界的压力、温度的影响下，会改变栅距，从而引起波长反射发生变化。根据应用场合的不同，对光纤光栅进行不同封装。本专利针对电力开关柜内的应用，采用陶瓷封装，压力隔离等措施制做温度传感器。

3）、服务器：

包括各温度传感器设备、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。

根据实际情况，这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在（将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统），也可以单独作为一套开关柜温度监测的主站系统。

同时，优化设计后，各类运行管理人员通过远程访问及时准确的监控开关柜温度情况，并扩展下述功能：

（1）、火灾自动报警

自动对光纤光栅温度传感器所在区域进行实时温度监控，检测现场温度的异常波动，在火灾发生前及时报警。

（2）、监测点定位

液晶显示屏以电子地图方式实时显示各电力设备及相应温度监测点的编号和当前温度值以及实际地理位置，方便管理人员操作和维护。

（3）、远程网络在线状态查询

各个监测点的温度和报警信息都保存到大容量储存器中，系统按照时间将数据分为历史信息、实时信息;管理操作人员可以动态调整被监测点的实时状态监测时间间隔满足实际要求; 管理操作人员可在局域网上查看各监测点的历史温度变化曲线，为决策和维护提供数据支持;

（4）、报警设定

可对开关柜触头温度的过温报警触发条件进行设定，以适用不同季节气温条件下及不同负荷条件下电力开关柜实际运行温度的差异

（5）、温度统计

可给出设备最高运行温度值及其发生时间、持续时间及对应监测点的位置编号和地理信息。

（6）、系统联动

光纤光栅解调仪报警接口输出开关量可直接接入仪表操作室现有的火灾控制器，实现火灾报警并在消防值班室显示，也可通过手机短信发送信息至相关人员手机。

（7）、线路自检及故障定位

具有自检功能，可对光纤传输线路的损耗及断点位置进行准确定位，方便系统调试、维护及线路检修。

（8）、与现有后台系统集成

方便的将采集数据交与电力系统后台，实现远程访问数据。

另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

设计图

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