直接監(jiān)測變壓器/互感器繞組等高壓設備的熱點溫度,對于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(fā)電行業(yè)在這方面的實際應用幾乎為零,突顯了我國與發(fā)達國家在輸變電裝備領域的差距。

       本文論述了目前國際上成熟運用熒光式光纖傳感器,監(jiān)測高壓設備熱點溫度的發(fā)展現狀,分析了國內推廣運用這一新技術所面臨的問題及目前現狀,分析了應用的可行性、方法及前景。

       變壓器等高壓電氣設備,是輸變電系統(tǒng)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(tǒng)的安全可靠運行和壽命是至關重要的。這些高壓設備大多采用封閉結構,長期工作在高電壓、大電流、強磁場的環(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。

       由于技術產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(jiān)測的可靠技術和成熟產品,現在這些關鍵設備普遍沒有安裝熱點監(jiān)測系統(tǒng),使得輸變電系統(tǒng)惡性事故的預測、預防和監(jiān)控缺乏有效的技術手段。成熟產品化的熒光式光纖溫度傳感系統(tǒng)的上市，填補了這一市場空白。由于光纖溫度傳感器產品全絕緣、尺寸小,可以直接測出高壓電氣設備內部發(fā)熱點的最高溫度。這樣就可以做到實時監(jiān)測、監(jiān)控溫度,預測、預防事故,同時實時采集運行數據,預測設備的絕緣壽命,判斷設備的實際負荷能力,為設備能否超負荷安全運行提供科學依據,提高經濟效益。

一、對高壓變壓器等高壓電氣設備實時在線溫度監(jiān)測的意義

       1.在變壓器等高壓設備內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內部熱點溫度是將來的發(fā)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為140℃,如果繞組熱點溫度超過了這一溫度,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,導致因氣體或絕緣擊穿而發(fā)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標。高壓設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行的溫度。就油浸式變壓器而言,當繞組熱點溫度為98℃時具有額定標牌壽命;F級干式變壓器繞組熱點溫度為140℃時具有額定標牌壽命。故在產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(過去認為干式變壓器為每增減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)認為:“繞組最熱區(qū)域內達到的溫度,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范圍內,在運行中能控制繞組熱點溫度的最高允許值,并能計及熱點溫度使絕緣預期壽命降低的情況,并設法以降低熱點溫度來補償所由于溫升而犧牲的命。

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

       (1)標定功率:IOOMVA

       (2)假設因加裝溫控系統(tǒng)能夠增加額外容量:10%

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

       (4)輸變電帶來的經濟利益:$80/MWh

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

       (6)測溫系統(tǒng)安裝成本:$10,000

       (7)假定變壓器壽命20年:180,000hr

       (8)在110%負荷時的壽命折損因子(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)產生的年均經濟利益:$360,000一$85=$359,915

二、高壓設備的熱點溫度監(jiān)測監(jiān)控的技術難點

       直接測量高壓設備的熱點溫度,技術上有很多困難,主要問題有:高壓絕緣、強電磁干擾、系統(tǒng)長期可靠穩(wěn)定性等。目前國內高壓電氣設備溫控技術主要采用熱電阻(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(tǒng)《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(qū)安裝壓力溫包或紅外探頭對高壓設備絕緣安全帶來的絕緣隱患。

       其次是電磁干擾問題,弱電溫度信號在強磁場環(huán)境中受到干擾,使得系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性受到置疑。第三是金屬導線和金屬零部件在電磁環(huán)境中產生渦流、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無線測溫系統(tǒng))存在模塊內供電電池及其他零件長期在高溫環(huán)境下工作壽命短及維護困難等問題,造成系統(tǒng)整體可靠性下降,實用性受到影響。氣壓式測溫系統(tǒng)會隨著溫包內部壓力的泄漏而使整個測溫系統(tǒng)報廢。

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

       壓力式溫度傳感器存在著測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式“光纖型”溫度傳感模塊,可靠穩(wěn)定性差,誤報率高,維護困難,間隔一定時間就要更換發(fā)射/測溫模塊電池等問題,并且同樣存在破壞設備原有絕緣的問題,使得該產品也難以推廣。

       紅外測溫為非接觸式可視測溫,只能在可視的情況下測量設備表面溫度,并且易受環(huán)境溫度和電磁場干擾,不易實現在線自動化監(jiān)測監(jiān)控,需要人工操作。而且電氣設備內部空間狹小,發(fā)熱點通常比較隱蔽,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物體的發(fā)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(tǒng)技術產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、屏蔽外殼、壓力溫包、紅外探頭等)問題,也給上述測溫系統(tǒng)在變壓器繞組或其他高壓電氣設備內部安裝帶來不便,對系統(tǒng)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(huán)境條件及電磁干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(tǒng)可靠穩(wěn)定性、減小測溫系統(tǒng)對原有設備的負面影響等核心問題,這些都成為這些技術方法進一步發(fā)展應用的瓶頸。

三、光纖測溫技術的發(fā)展現狀及應用可行性

       熒光式光纖傳感器測溫系統(tǒng),是專門針對高壓電氣設備溫度監(jiān)測監(jiān)控應用而設計的,它采用光學原理的傳感器件和光信號傳輸通道,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備內部安裝,能很好地適應高壓和大電流的檢測環(huán)境,從根本上解決了電類、壓力類及紅外測溫系統(tǒng)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,特別適合應用于高壓環(huán)境,不會給大系統(tǒng)帶來負面影響。光纖傳感器能夠為監(jiān)控系統(tǒng)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,從而將風險準確控制在安全的范圍之內。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行測溫,之后在出口美國的多臺大型變壓器中,成功進行了商業(yè)應用,至今工作良好,成為國內第一家實際應用的設備制造商。現在光纖測溫系統(tǒng)的技術成熟度和產品化程度,已經比幾年有了大幅度的提高,目前價格也已經成倍下降,該項技術在高壓電氣溫度監(jiān)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(jiān)測監(jiān)控的應用,國家電網公司、電力設計院的多位專家從2002年起就開始關注并呼吁國家監(jiān)管機構、設備制造廠商、發(fā)電和輸變電企業(yè)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.光纖傳感器是一項適用于高壓設備測溫、提高系統(tǒng)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.建議國內高壓設備廠家接受這一技術作為工業(yè)標準,并在高壓設備上的安裝應用。

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

       4.建議國內電力研究部門積極開展高壓輸變電系統(tǒng)設備中應用這一技術的研究。

       5.這一方法原理簡單,技術先進,成本隨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(guī)的測溫設備費用高出多少,尤其與變壓器、可控硅閥等大型設備配套安裝時,其費用可以忽略不計,這成為一個備受用戶關注的有利理由。

四、目前阻礙光纖傳感技術在高壓電氣設備中應用的主要問題

       1.缺乏國家權威標準:國家主管部門還沒有出臺相應的行業(yè)標準,輸變電行業(yè)業(yè)主及設計院不愿意主動承擔應用新技術帶來的政策、技術風險。

       2.該技術的應用給設備制造商在制造工藝及質量控制等方面提出更高的要求:由于系統(tǒng)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(huán)流渦流損耗等問題,同時還要解決光纖探頭在線圈、鐵心內部的安裝流程等工藝問題。

       3.市場對新技術的認知度還不高,對新技術產品的宣傳推廣力度有待加強。

       4.用戶在等待質量穩(wěn)定、價格適當的實用化、批量生產的成熟產品上市。

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(fā)生產的熒光式光纖傳感器產品,是專門針對高壓電氣設備溫度監(jiān)測而設計的,它無論在產品性能、質量,還是成本,都達到了全球領先的水平,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。隨著市場認知度的提高、成熟產品的上市、設計及制造工藝的日趨完善、行業(yè)標準的逐步建立,光纖傳感器技術在高壓電氣設備溫度監(jiān)測領域中廣泛應用的前景是無可質疑。

六、結論及建議

       光纖傳感技術產品的特點非常突出,特別適合應用于高壓電氣設備的溫度監(jiān)測,相對于傳統(tǒng)技術的優(yōu)勢是非常明顯的,可以給輸變電及發(fā)電行業(yè)帶來直接的好處,是一項特別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(yè)的推廣與應用,積極培育市場,向國內研究機構提出明確需求,促進應用技術的市場化、產品化。建議生產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(yè)核心競爭力。比如在變壓器等高壓設備中埋設光纖傳感器之前,可用先通過模擬計算,對高壓設備熱點溫度的分布情況先作分析,確定最熱點所在的大致位置。工藝設計方面可以采取一下措施:設計暢通油路、采用適當地繞組電流密度、采用換位導線降低環(huán)流耗及渦流耗、采用大功率高效冷卻器等。

       建議業(yè)主和設計部門在充分的市場調查基礎上,積極推廣這一技術在行業(yè)的應用,將該技術納入項目招標書標準要求的范疇。建議系統(tǒng)集成商積極圍繞這個新技術產品,進行有針對性的應用開發(fā),提高該技術的附加價值。