光纖溫度熱點監測系統在高壓設備中應用的現狀與前景

       直接監測變壓器/互感器繞組等高壓設備的熱點溫度,對於(yú)提高設備的安全運行、延長設備絕緣壽命、即時判斷設備的實際負荷能力以提高設備的經濟效益等,都具有非常現實的意義。而目前我國輸變電及發電行業在這方面的實際應用幾乎爲零,突顯瞭(le)我國與發達國家在輸變電裝備領域的差距。

       本文論述瞭(le)目前國際上成熟運用熒光式光纖傳感器,監測高壓設備(bèi)熱點溫度的發展現狀,分析瞭(le)國内推廣運用這一新技術所面臨的問題及目前現狀,分析瞭(le)應用的可行性、方法及前景。

       變壓器等高壓電氣設備,是輸變電系統的關鍵設備,它們的安全可靠性和使用壽命,對整個輸變電系統的安全可靠運行和壽命是至關重要的。這些高壓設備大多採(cǎi)用封閉結構,長期工作在高電壓、大電流、強磁場的環境中,使得熱量聚集。發熱溫升增加瞭(le)輸電系統的損耗,如果散熱不良還會危及設備的正常運行,甚至會造成故障,社會不良影響和經濟損失不可估量。

       由於技術産品成熟度和成本等等原因,目前市場上還沒有能夠完全滿足高壓電氣設備在線溫度監測的可靠技術和成熟産品,現在這些關鍵設備普遍沒有安裝熱點監測系統,使得輸變電系統惡性事故的預測、預防和監控缺乏有效的技術手段。成熟産品化的熒光式光纖溫度傳感系統的上市，填補瞭這一市場空白。由於光纖溫度傳感器産品全絕緣、尺寸小,可以直接測出高壓電氣設備内部發熱點的最高溫度。這樣就可以做到實時監測、監控溫度,預測
、預防事故,同時實時採集運行數據,預測設備的絕緣壽命,判斷設備的實際負荷能力,爲設備能否超負荷安全運行提供科學依據,提高經濟效益。

一、對高壓變(biàn)壓器等高壓電氣設備(bèi)實時在線溫度監測的意義

       1.在變壓器等高壓設備(bèi)内部的熱點附近埋光纖式溫度傳感器,從多個傳感器探測繞組等設備(bèi)内部熱點溫度是将來的發展趨勢。從安全角度考慮,在不同的外圍溫度下,以不同容量運行的變壓器,其繞組熱點溫度不能超過絕緣材料耐熱等級所允許的最高熱點溫度值。例如油浸式變壓器的最高熱點溫度限值爲140℃,如果繞組熱點溫度超過瞭(le)這一溫度,則部分油就會因裂解而生成氣體,絕緣材料的性能就會降低,導緻因氣體或絕緣擊穿而發生事故。

       2.從變壓器等高壓設備的壽命角度來看,所選用的各種耐熱等級的絕緣材料都有熱老化壽命的溫度指标。高壓設備的壽命取決於(yú)絕緣的老化,而絕緣的老化又主要取決於(yú)運行的溫度。就油浸式變壓器而言,當繞組熱點溫度爲98℃時具有額定标牌壽命;F級幹式變壓器繞組熱點溫度爲140℃時具有額定标牌壽命。故在産品運行中必須注意設備最熱點溫度,不能超過該耐熱等級的熱點溫度允許值。據最新研究表明,繞組熱點溫度每增減6Kv,絕緣預期壽命會減一半或增一倍(過去認爲幹式變壓器爲每增減IOKv)。變壓器在運行時,繞組溫度分布是不均勻的,決定絕緣壽命的關鍵因素是繞組最熱點的絕對溫度,而不是繞組平均溫度。新修訂的電力變壓器負載導則(}EC一354)認爲:“繞組最熱區域内達到的溫度,是變壓器負載值的最主要限制因數,故應盡一切努力來準確地決定這一溫度值”。所以,對大容量變壓器而言,必須在結構上保證繞組熱點溫度在合格範圍内,在運行中能控制繞組熱點溫度的最高允許值,並(bìng)能計及熱點溫度使絕緣預期壽命降低的情況,並(bìng)設法以降低熱點溫度來補償所由於(yú)溫升而犧牲的命。

       3.從輸變電設備(bèi)的運行效率來看,在變壓器配備(bèi)瞭(le)穩定可靠的溫控系統之後,我們就可以根據該系統提供的參數,在合理的範圍内充分發揮設備(bèi)的負載能力,從而提高設備(bèi)的經濟運行效益。以北美一台IOOMVA的變壓器爲例:

       (1)标定功率:IOOMVA

       (2)假設因加裝溫控系統能夠(gòu)增加額(é)外容量:10%

       (3)假設(shè)系統年超載工作時間(jiān)爲:450zJ、時/年

       (4)輸變(biàn)電帶(dài)來的經濟利益:$80/MWh

       (5)從(cóng)10%超載負(fù)荷獲得的年經濟效益=lx2x3x4=$360,000

       (6)測(cè)溫系統(tǒng)安裝成本:$10,000

       (7)假定變(biàn)壓器壽(shòu)命20年:180,000hr

       (8)在110%負荷時的壽命折損因子(125℃):34因加裝溫控系統增加的平均成本=《(5/6)*7*3)=$85因加裝溫控系統産生的年均經濟利益:$360,000一$85=$359,915

二、高壓設備(bèi)的熱點溫度監測(cè)監控的技術難點

       直接測量高壓設備(bèi)的熱點溫度,技術上有很多困難,主要問題有:高壓絕緣、強電磁幹擾、系統長期可靠穩定性等。目前國内高壓電氣設備(bèi)溫控技術主要採(cǎi)用熱電阻(Pt1OO)、熱電偶(高阻線)等電類傳感器測溫、壓力式溫度計、紅外測溫、傳光型“光纖”溫度傳感模塊和GpRS無線傳輸等。以上這些技術方法,首先遇到的困難是高壓絕緣問題:電類傳感器、氣壓式測溫系統《如W丁ZK/BWY/日WR系列等)、以及紅外測溫等方法,都面臨無法徹底解決金屬導線、金屬零部件或屏蔽措施、高壓區安裝壓力溫包或紅外探頭對高壓設備(bèi)絕緣安全帶來的絕緣隐患。

       其次是電磁幹擾問題,弱電溫度信号在強磁場環境中受到幹擾,使得系統的穩定可靠性受到置疑。第三是金屬導線和金屬零部件在電磁環境中産生渦流、造成損耗和自身發熱的問題。第四的系統壽命問題,尤其是傳光型的點式“光纖型”溫度傳感器、G屍日S無線傳輸型溫度傳感系統和氣壓式測溫系統,系統壽命問題尤爲突出:“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(如A丁一11無線測溫系統)存在模塊内供電電池及其他零件長期在高溫環境下工作壽命短及維護困難等問題,造成系統整體可靠性下降,實用性受到影響。氣壓式測溫系統會随著(zhe)溫包内部壓力的洩漏而使整個測溫系統報(bào)廢。

       綜上所述,熱電阻、熱電偶等電類傳感器測(cè)溫都需要用金屬導線傳輸信号,由於(yú)電磁幹擾、金屬零部件/導線在強電磁環境下,存在嚴重的電磁幹擾和渦流發熱現象,以及無法保證長期穩定可靠的高壓絕緣性能,使之在高壓電氣溫度監測(cè)應用中,存在先天不足。

       壓力式溫度傳感器存在著(zhe)測溫腔體中高壓氣體或液體的洩露問題,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電磁環境中的安裝也是很大的問題。GpRS無線傳輸和傳光型的點式“光纖型”溫度傳感模塊,可靠穩定性差,誤報率高,維護困難,間隔一定時間就要更換發射/測溫模塊電池等問題,並(bìng)且同樣存在破壞設備原有絕緣的問題,使得該産品也難以推廣。

       紅外測溫爲非接觸式可視測溫,隻能在可視的情況下測量設備(bèi)表面溫度,並(bìng)且易受環境溫度和電磁場幹擾,不易實現在線自動化監測監控,需要人工操作。而且電氣設備(bèi)内部空間狹小,發熱點通常比較隐蔽,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物體的發射率,要保證被測物體的輻射充分抵達紅外探測器,還要盡量消除背景噪聲
。另外,傳統技術産品的感溫探頭體積過大(如optje一3000爲6X3.2X2.8em)、存在金屬零件(如屏蔽網、屏蔽外殼、壓力溫包、紅外探頭等)問題,也給上述測溫系統在變壓器繞組或其他高壓電氣設備(bèi)内部安裝帶來不便,對系統對溫度的時間響應速度帶來不利影響。

       以上方法受苛刻的環境條件及電磁幹擾的影響都比較嚴重。技術手段的局限性,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可靠穩定性、減小測溫系統對原有設備的負面影響等核心問題,這些都成爲這些技術方法進一步發展應用的瓶頸。

三、光纖測(cè)溫技術的發(fā)展現狀及應用可行性

       熒光式光纖傳感器測溫系統,是專門針對高壓電氣設備溫度監測監控應用而設計的,它採用光學原理的傳感器件和光信号傳輸通道,有著(zhe)良好的電磁不敏感性,傳感器尺寸小,可靠穩定,本安型,易於在狹小的高壓設備内部安裝,能很好地适應高壓和大電流的檢測環境,從根本上解決瞭電類、壓力類及紅外測溫系統的缺陷。構成光纖傳感器測溫探頭的材料絕緣性能化學和機械性能極佳,特别适合應用於高壓環境,不會給大系統帶來負面影響。光纖傳感器能夠爲監控系統提供更加準確可靠的線圈熱點溫度值,從而使設計人員能夠準確把握溫度對設備的影響,從而将風險準確控制在安全的範圍之内。從2002年開始,沈變就開始嘗試在變壓器中採用光纖傳感器進行測溫,之後在出口美國的多台大型變壓器中,成功進行瞭商業應用,至今工作良好,成爲國内第一家實際應用的設備制造商。現在光纖測溫系統的技術成熟度和産品化程度,已經比幾年有瞭大幅度的提高,目前價格也已經成倍下降,該項技術在高壓電氣溫度監測方面大面積應用的時機已經成熟。針對光纖測溫新技術在高壓電氣溫度監測監控的應用,國家電網公司、電力設計院的多位專家從2002年起就開始關注並(bìng)呼籲國家監管機構、設備制造廠商、發電和輸變電企業和科研機構,積極推進該項技術的推廣與應用,主要觀點如下:

       1.光纖傳感器是一項适用於(yú)高壓設備(bèi)測溫、提高系統安全性的新技術
。目前我國實際應用還較少,但非常值得在高壓輸變電領域推廣應用。

       2.建議國内高壓設備(bèi)廠家接受這一技術作爲工業标準,並(bìng)在高壓設備(bèi)上的安裝應用。

       3.建議輸變(biàn)電及發電行業業主在招投标文件中,将這項技術納入标書範疇(chóu)
。

       4.建議國内電力研究部門積極開展高壓輸變(biàn)電系統設備(bèi)中應用這一技術的研究。

       5.這一方法原理簡單,技術先進,成本随著市場的迅速擴大正在快速降低。在達到一定應用量時,其費用不會比常規的測溫設備費用高出多少,尤其與變壓器、可控矽閥等大型設備配套安裝時,其費用可以忽略不計,這成爲一個備受用戶關注的有利理由。

四、目前阻礙(ài)光纖傳感技術在高壓電氣設備(bèi)中應用的主要問題

       1.缺乏國家權威标準:國家主管部門還沒有出台相應的行業标準,輸變(biàn)電行業業主及設計院不願意主動承擔應用新技術帶(dài)來的政策、技術風險。

       2.該技術的應用給設備(bèi)制造商在制造工藝及質量控制等方面提出更高的要求:由於(yú)系統可以對繞組熱點溫度進行直測直讀,要求制造商在設計
、制造時,更好地解決散熱冷卻、繞組排列、電流密度、熱點分布、漏磁及環流渦流損耗等問題,同時還要解決光纖探頭在線圈
、鐵心内部的安裝流程等工藝問題。

       3.市場(chǎng)對新技術的認知度還不高,對新技術産(chǎn)品的宣傳推廣力度有待加強。

       4.用戶在等待質量穩定、價格适當的實用化、批量生産的成熟産品上市。

五、市場現狀及應用前景

       由西安和其光電科技有限公司研發生産的熒光式光纖傳感器産品,是專門針對高壓電氣設備(bèi)溫度監測而設計的,它無論在産品性能、質量,還是成本,都達到瞭(le)全球領先的水平,具有最高的性能價格比。

       光纖傳感技術的應用,可以大幅度提高輸變電設備的安全可靠性,提高設備運行效率,減輕人員勞動強度。随著市場認知度的提高、成熟産品的上市、設計及制造工藝的日趨完善、行業标準的逐步建立,光纖傳感器技術在高壓電氣設備溫度監測領域中廣泛應用的前景是無可質疑。

六、結論及建議

       光纖傳感技術産品的特點非常突出,特别适合應用於(yú)高壓電氣設備的溫度監測,相對於(yú)傳統技術的優勢是非常明顯的,可以給輸變電及發電行業帶來直接的好處,是一項特别值得全面推廣的新技術。建議國家相關管理部門積極研究該技術在電力行業的推廣與應用,積極培育市場,向國内研究機構提出明確(què)需求,促進應用技術的市場化、産品化。建議生産廠家積極研究該技術在設備制造中的應用,通過技術進步提高企業核心競争力。比如在變壓器等高壓設備中埋設光纖傳感器之前,可用先通過模拟計算,對高壓設備熱點溫度的分布情況先作分析,確(què)定最熱點所在的大緻位置。工藝設計方面可以採取一下措施:設計暢通油路、採用适當地繞組電流密度、採用換位導線降低環流耗及渦流耗、採用大功率高效冷卻器等。

       建議業主和設計部門在充分的市場(chǎng)調查基礎上,積極推廣這一技術在行業的應用,将該技術納入項目招标書标準要求的範疇。建議系統集成商積極圍繞這個新技術産(chǎn)品,進行有針對性的應用開發,提高該技術的附加價值。