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山东大学硕十学位论文 j 鼻昌暑置= = 葛皇詈量昔昌暑葛罩詈暑暑詈鲁詈詈奄宣鲁置皇詈暑詈詈= 詈詈ii 穹昌鲁昌昌昌詈昌兽詈! 詈皇詈皇詈皇皇喜置鲁暑暑詈詈詈皇毫寡詈詈暑皇鼍鲁皇詈詈暑= 皇皇詈暑暑詈昌詈昔詈昌墨皇皇鲁昌= = 詈詈暑 a b s t r a c t t h em o d e ms o c i e t yd e p e n d e n c et oe l e c t r i ce n e r g yh a sb e e ne x t r e m e l yh i g h ,t h e b i g g e rp o w e rc o n s u m p t i o nd e n s i t y ,t h eh i g h e rt h ea r e ad e p e n d e n c et ot h ee l e c t r i c i t y , t h i sh a sb r o u g h tf o r w a r dt h em o r ea n dm o r eh i g hr e q u e s tt ot h ep o w e rs u p p l yu n i t r e l i a b i l i t ya sar e s u l t b et h ed y a d i ch a n d c a r ts w i t c ha s s e m b l i e sb e i n gp u ti n t ou s e a t p r e s e n tc o m m o n l y , t h eb r e a k e ra n dt h ea s s e m b l i e sa d o p ta t t a c h m e n tp l u gl i n k u p , b e t w e e nt h ea s s e m b l i e sa n dt h eh a n d c a r tw a i tt oa l la r o u s et ot o u c hh e a db a dc o n t a c t , c o n t a c tr e s i s t a n c ee n h a n c e s ,t o u c ht h eh e a dt e m p e r a t u r er i s i n g ,b u r n i n gd o w na n d b r i n g i n ga b o u tp o w e rf a i l u r eb e c a u s ef a b r i c a t i o n ,t r a n s p o r t a t i o na n di n s t a l l a f i o 玛 t h e s ep h e n o m e n o nl a y ss t r e s so n , a n da f f e c t sam a x i m u mi nh e a v yc u r r e n ts w i t c h a s s e m b l i e sf o re x a m p l ei n c o m i n gl i n ec a s h i e r f o ra v o i d i n gt h e s ea c c i d e n to c c u r , d e v e l o po n e k i l l dd e v i c et om o n i t o ri m m e d i a t e l yt o u c h i n gt h eh e a dt e m p e r a t u r er i s e s i nv a r i o u ss e n s o rt e c h n o l o g y , f i b e ro p t i cs e n s o rd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s , a n dh a sb e e na b l et ou s eo p t i c a ls e n s o r st oa c h i e v ep r e s s u r e ,t e m p e r a t u r e ,v i b r a t i o n , c u r r e n t ,v o l t a g e ,m a g n e t i cf i e l da n do t h e rp h y s i c a lt e s t i n g , t h e s ea p p l i c a t i o n sa r e a t t r i b u t e dt ot h es i m p l es t r u c t u r e ,u s i n ge a s i l y , r e s i s t a n tt oh i g hp r e s s u r e ,h i g h t e m p e r a t u r ea n da n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ,a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r o l eo fl o n gd i s t a n c ea n dt h eh i g hs e n s i t i v i t yb e c a u s eo fv o l u m es m a l la n dl i g h t w e i g h t h i g h v o l t a g es w i t c ha s s e m b l i e sa tp r e s e n tf o rm o s to ft h ew o r kh a sf o c u s e do i l t h eo n - l i n em o n i t o r i n g ,m o s tc a nd or e a l - t i m ew a m i n g ,i su n a b l et oa d v a n c ew a m i n 舀 t ot a k ep r e v e n t i v em e a s u r e st oa v o i da c c i d e n t sf r o mo c c u r r i n go rt of u r t h e re x p a n d a n di m p r o v ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ys e x u a l p a p e r so nt h eb a s i so fs o f t w a r es y s t e md e v e l o p m e n tf i r s ti n t r o d u c et h ep r i n c i p l e s o ff i b e ro p t i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ep o w e rs y s t e ma n d t h e ni n t r o d u c eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fc o n t a c tt e m p e r a t u r eo nh i g h - v o l t a g e 山东大学硕士学位论文 s w i t c ha s s e m b l i e s ,t h em o s ti m p o r t a n ti si n t r o d u c i n gt e m p e r a t u r ef o r e c a s t , b r e a k d o w ne a r l yw a r n i n go nt h eb a s i so ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t p a p e r sc o n s i d e r v a r i o u sf a c t o r s ,t h eu s eo fm e t h o d so ft e m p e r a t u r ef o r e c a s t sa n dp r o j e c t i o n sw a yt o c o m p a r et h er e s u l t s ,r u n n i n gt h r o u g h t h ea c t u a ld a t af o rv a l i d a t i o n t h i ss o f t w a r es y s t e m sd e v e l o p m e n tc a l lr e a l i z et h eo n l i n em o n i t o rt ot h eh i 曲 v o l t a g es w i t c ha s s e m b l i e sc o n t a c tt e m p e r a t u r e , t h ef a u l te q u i p m e n tf o r e w a r n sa h e a d o ft i m e ,e n h a n c e st h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ye f f e c t i v e l y , l e n g t h e n st h eu s e f u ll i f eo f e q u i p m e n t k e yw o r d s :s w i t ha s s e m b i l i e s ,o p t i c a lf i b e rs e n s o r ,o n l i n em o n i t o r ,t e m p e r a t u r e f o r e c a s t , b r e a k d o w ne a r l yw a r n i n g v l l 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下, 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 雀聱 日 期:边臻4 。面 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:缝搓 导师签名:日期:磁舞为 山东大学硕士学位论文 1 1课题背景 第一章引言 近几年电力事业飞速发展,无人值守变电站日益增多,而封闭式高压开关 柜以其安全可靠、结构紧凑、占地省、操作方便等优点,在开关站、小区配电 室、变电站内广泛使用。 封闭式高压开关柜的一次设备分布在3 个相互独立的隔室内,分别是开关 室、母线室、出线室,按有关的规程要求,除实现电气连接、控制、通风而必 须在隔板上开? l # i - ,所有隔室呈封闭状态。在开关室内的主开关上一般有6 个 主插头,有1 8 个流过负荷电流的连接点;在出线室有连接出线电缆的3 个主接 头与连接旁路刀闸的十几个接点,以上所说连接点直接流过负荷电流,当负荷 较大时存在隐患的连接点就会发热。由于发热点在密封柜内,运行中的柜门禁 止打开,值班人员无法通过正常的监视手段发现发热缺陷,发热严重时接头会 变红甚至熔断,直接造成生产事故。封闭式高压柜内接头发热事故在近几年屡 有发生,密封式开关柜内接头发热事故在近几年有增长的趋势,已经成为严重 影响安全生产的难题。l o k v 开关直接承担用户负荷,其中不少是重要负荷,如 果发生突然停电事故,不但会造成不良的社会影响,而且给供电部门造成很大 的经济损失【1 。2 】。通过在线监测开关柜内触点温度的运行情况,可有效防止开关 柜的火灾发生。 高压开关柜内主回路开关接触点运行温度很难监测,主要有以下因素:开关 触头处于高电压、高温度、强磁场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恶劣环境条件下的适应性【3 】。主回路带高压 ( 1 0 k v 以上) ,柜内空间狭小,电气安全距离限制在柜内安装监测设备;柜内电磁干 扰,运行温度高,环境恶劣。近几年电力生产中广泛运用各种先进的温度测试设 备,如:红外热成像仪、红外线测温仪等,取得了很好的效果,电力设备接头 的温度得到了有效监视,接头发热事故大大减少。封闭式高压柜在运行中不能 打开,因此无法测量运行中柜内接头的实际温度。因此,开发一种适用于监测高 压开关柜触点温度的高性能、低成本的装置,对提高高压开关安全运行水平,减少 山东大学硕士学位论文 电力设备的运行事故,提高经济效益和社会效益等方面都具有重大意义。 现在经常使用的柜内接头发热监视方法主要有:在接头粘贴测温蜡片;手 摸柜门感知柜内温度;通过异常气味发现设备过热;通过异常音响发现设备过 热等。粘贴测温蜡片是室外接头常用的测温法,用在封闭柜内有很大局限性, 大部分接头通过柜门的观察窗看不到,只能在开关停电检修时检查接头有无过 热情况,对预防事故作用不大。手摸柜门的方法可大概判断温度有无异常,但 是这种方法具有很大的随意性与偶然性,而且由于个人感觉的差异,相同情况 也会有不同判断。当有过热的接头时,一定会有异常气味或者异常声音,特别 是连接电流互感器的接头发热时,可以发出强烈的异常气味,工作人员可根据 气味的来源做出进一步的判断。总之,通过综合应用以上几种方法可以大概判 断开关柜内有无接头发热故障,但是不科学、不严谨,对无人值班的变电站、 开关站无实用价值。 随着光纤技术的发展,光纤传感技术在电力设备故障检测中的应用得到了 逐步推广【铺1 ,其中分布式光纤测温技术彻底解决了困扰电力设备运行中过热监 测的难题,可实现了对电力设备故障发热敏感部位温度的准确实时在线监测和 故障预警、精确定位【9 。1 1 。采用光纤光栅原理的测温技术有以下特点:传输线路 采用光纤光缆,抗电磁干扰能力强,使用准分子技术在光纤本体上制作的光纤光 栅温度传感器的功能类似于点状的电信号温度传感器,不锈钢外壳封装,热反应 时间短,在同一条检测回路中可以将多个探头串连使用,从而实现对多个目标温 度的快速准确测量【3 1 3 3 1 。 综上所述,通过光纤测温在线监测开关柜内触点温度的运行情况,可有效 防止开关柜的火灾发生,而短期的触点温度预测可以对有缺陷隐患的设备提前 预警,提高设备运行的可靠性,增加设备使用的寿命。 长期以来,国内外对相关设备的故障预测方法研究做了一些工作,基于人 工智能的故障预测方法使用的做多,也是目前用于实际电力系统有效的方法。 而对高压开关柜故障预测的方法研究和探索很少,而真正应用于实际的更少。 因此,高压开关柜故障预测问题至今仍是困惑电力系统的难题。 高压开关柜故障预测看似简单易行,但实践证明是十分复杂的,因此预测 方法的深入研究并付诸实际应用,具有很强的理论和实际意义。 2 山东大学硕士学位论文 1 2相关设备故障预测方法综述 目前相关设备故障预测方法的研究主要可概括为四类: ( 1 ) 故障树法【1 2 】 该方法是一种分析、判断系统的可靠性和可用性的重要方法。在系统设计 过程中,通过对可能造成系统失效的各种因素( 例如硬件、软件、环境、人为等 因素) 进行分析,建造逻辑框图( 即故障树) ,从而确定系统失效原因的各种可能 组合方式及其发生概率,以事先预测系统失效概率,并采取相应的纠正措施, 以提高系统可靠性、安全性。 正确构建故障树是分析问题的关键,在故障树构建过程中,把系统最不希 望发生的故障状态作为逻辑分析的目标,在故障树中称为顶事件,继而找出导 致这一故障状态发生的所有可能直接原因,在故障树中称为中间事件。再跟踪 找出导致这些中间故障事件发生的所有可能直接原因。直追踪到引起中间事件 发生的全部部件状态,在故障树中称为底事件。用相应的代表符号及逻辑门把 顶事件、中间事件、底事件连接成树形逻辑图,并称此树形逻辑图为故障树。 此方法一般用于断路器的故障预测。 ( 2 ) 灰色理论预测法 该方法利用灰色理论进行变压器故障预测,因为变压器故障机理复杂, 反映电气绝缘潜伏性故障的特征量与故障之间的关系,有些是已知的,有些是 未知的,具有不确立性和灰色性【1 4 】。因此,电气设备绝缘故障信息与特征量之 间是一个典型的灰色系统。灰色系统理论认为所有随机过程都是在一定幅值范 围、一定时区内变化的灰色量,称随机过程为灰色过程。事实上将许多历史数 据作累加处理后都出现了明显的指数规律,而大多数系统都是广义的能量系统, 指数规律是能量变化的一种规律。用灰色预测对设备状态趋势进行预测,它对 原始数据进行累加生成( a 0 0 ) 后,得到规律性较强的序列,再用指数曲线拟合 并预测,最后通过累减还原得到预测值。 还有基于小波的灰色预测理论 1 5 】,该方法运用小波分解提取各频带能量, 应用预测理论建立水电机组故障特征量的预测模型,预测各频率成分能量的变 化,重构由预测各频带能量成分组成的特征向量,应用于水电机组故障预测分 析。由于机组运行状况随时间变化且影响因素较多,而且缺乏在预测模型中考 山东大学硕士学位论文 虑这些影响因素的有效的理论分析工具,预测模型随时间变化,因此时间序列 法不适用于水电机组动态预测;而灰色系统是动态建立系统运行趋势模型,适 于动态预测,且只需较短时间的观测资料即可建立灰色预测模型,这与时间序 列等概率统计模型不同。其算法运算速度较快,且实践证明其长期预测精度较 高。故文章提出将小波分析和灰色预测理论相结合用于动态提取水轮机组故障 特征向量,并预测反映故障特征的特征向量的变化,以其作为神经网络故障诊 断的输入向量,从而达到故障早期诊断的目的。 ( 3 ) 人工智能预测法 利用神经网络进行故障预测【2 0 】 神经网络具有很强的模型辨识、自适应预报和故障诊断能力,特别是在求 解复杂非线性问题中具有不可比拟的优势【2 1 1 。由于三相电缆短路或接地故障预 测定位是多输入复杂非线性问题,因此选用具有非线性特性的b p 神经网络作为 系统的模型【2 2 1 。由于系统输入是5 维向量,故神经网络的输入层取5 个节点。隐 含层取6 个节点。输出层取1 个节点,表示电缆的故障点距电缆“1 端的距离。 电缆故障系统的模型采用3 层b p 网络,即输入层、隐含层和输出层。电缆故障 预测定位系统属于复杂非线性问题。为实现三相电缆短路或接地故障的预测定 位,文中在大量实测数据的基础上,设计出基于b p 神经网络的电缆故障预测定 位系统,用l m 数值优化改进的b p 算法建立了系统输入信号与故障距离之间 的数学模型,从而实现了电缆的故障预测定位问题。 利用模糊小波网络进行负荷预n t 2 3 】 模糊小波网络结合了小波变换良好的时频局域化性质、模糊推理和神经网 络的学习能力。因此函数逼近能力大大提高。模糊小波网络由一组模糊推理规则 和若干小波子网络组成,其中模糊规则的结论部分与某一特定尺度的小波子网 络相对应。在学习过程中通过同时调整小波基函数的平移因子和隶属度函数的 形状,使得模糊小波网络的精度和泛化能力大大提高。实例计算表明,这种模型是 切实可行的。小波网络比神经网络使用的基函数单元更少,具有更快的收敛速度 和更高的精度,然而小波网络有两个明显的不足:在多维输入情况下,学习所用小 波基数目过多,其次是随着网络输入维数的增大,使得小波网络的收敛速度大大 下降,即不能够解决所谓的“维数灾问题【2 4 1 。由于影响电力系统短期负荷预 测的因素诸多,本身这也是一个多维输入问题,基于此,本文提出了一种将小波网 4 山东大学硕士学位论文 络和模糊神经网络相结合的短期负荷预测的新方法,利用一组模糊规则将小波 网络分为若干小波子网络,每条模糊规则前提部分将输入样本空间划分为一个 局部子空间,其结论部分则对应某一特定尺度下的小波子网络,不同尺度下的小 波子网络用于捕捉信号的各种不同特性,将其进行线性组合来逼近信号。它在保 证选择一定数量的小波基函数的前提下,由隶属度函数和小波子网络的输出来 精确确定整个网络的输出,使网络达到最佳逼近,同时简化了网络的结构,避免了 小波网络的“维数灾”问题,提高了计算效率。实践证明该方法具有较高的精度 和很强的泛化能力。 ( 4 ) 最小方差法 该方法主要用于厂区能够有效地监测电缆温度变化情况,特别是当大功率 用电设备运行、装置负荷波动较大而出现电缆接头温度过高时,能够及时监测 温度并发出报警,通过动力电缆的运行状态监测及预报,可以及早发现潜在的 事故隐患,提醒有关人员加强防范措施。最小方差法将接头看作传递函数是以 电缆电流作为输入和电缆接头温度作为输出的高阶系统 1 8 , 1 9 ,估计其数学模型, 从而在模型基础上进行参数预报运算,且该方法在实际中已进行验证。 上述各预测方法总结为如表1 1 所示: 山东人学硕士学位论文 表1 1 各种预测方法基本预测原理及适用的设备类型 预测方法基本预测原理适用的设备类型 通过对可能造成系统失效的各种因素( 例 如硬件、软件、环境、人为等因素) 进行 分析,建造逻辑框图( 即故障树) ,从而确 故障树法断路器故障 定系统失效原因的各种可能组合方式及 其发生概率,以事先预测系统失效概率, 并采取相应的纠正措施 用灰色预测对设备状态趋势进行预测,它 对原始数据进行累加生成( a g o ) 后,得 灰色理论法变压器绝缘故障预测 到规律性较强的序列,再用指数曲线拟合 并预测,最后通过累减还原得到预测值。 以任意精度逼近任意复杂的非线性函数 人工智能法关系,表示复杂的映像关系,然后自学习负荷预测 和自适应不确定系统的动态特性 构造高阶系统,估计其数学模型,从而在 最小方差法电缆接头故障预测 模型基础上进行参数预报运算 1 3高压开关柜故障预测现状 目前大部分针对高压开关柜的工作都集中在在线监测上,最多能够做到实 时报警,无法在故障发生之前提前预警,做到防患于未然,避免事故的发生或 进一步扩大,提高供电可靠性。 1 4 本文的主要工作 本文主要在深入分析开关柜故障的基础上,进行以故障预警为核心的高压 开关柜温度在线监测软件系统的开发。 1 4 1 本文所用的开发工具 2 0 0 0 年6 月,m i c r o s o f t 公司发布了它的n e t ( 读作“d o t n e t ”) 计划。n e t 平 台对早期的开发平台作了重大改进。n e t 提供了一种新的软件开发模型,它允 许用不同程序设计语言创建的应用程序能相互通信。这个平台也允许开发者创 6 山东入学硕士学位论文 建基于w e b 的应用程序,这些应用程序能够发布到多种不同的设备( 甚至是无 线电话) 和台式机上。 m i c r o s o f t 的n e t 计划为利用i n t e r n e t 和w e b 进行软件的开发、设计和使 用开辟了广阔的新前景。n e t 策略的一个主要方面是它与具体的语言或平台无 关。它不需要程序员使用惟一的一种程序设计语言。程序员可以将多种与n e t 兼容的语言结合起来开发n e t 应用程序。多个程序员可以共同参与同一个软件 项目,每个人可以使用自己最精通的n e t 语言( p nv i s u a lc + + n e t 、c 撑、v i s u a l b a s i c 和其他许多语言) 来编写代码。 1 4 2 本文所做的工作 本文将对基于电力设备新型在线监测技术的变电站设备运行安全可靠性实 时综合分析预警系统实现的功能进行介绍,并重点对故障预测方法进行描述, 结合重庆项目的实施,针对基于电力设备新型在线监测技术的变电站设备运行 安全可靠性实时综合分析预警系统的特点和难点展开论述。 软件系统结合现代电力控制技术、计算机网络技术、数据通信技术、计算机仿 真图形、人工智能技术、数据库及面向对象等技术,将成熟的计算机应用技术引入 到变电站管理和监测中,解决日常工作中对于不同类型设备的误操作、误判断的一 系列技术难题。系统采用通讯前置机进行数据采集,并提供统一的数据库接口, 利用物理隔离设备,在做到网络安全运行的前提下将数据信息发布到网络中, 有利于不同部门专工浏览、统计分析及报表。 软件系统的研发成功,将以技术手段的方式来预防高压开关柜事故的产生, 事故产生后能快速的发现问题并且处理问题,将事故损失减少到最小。从根本 上提高变电站管理水平,为保证变电站的安全运行打下坚实的基础,并产生较 大的社会效益和经济效益。 目前,以本文所论述基于电力设备新型在线监测技术的变电站设备运行安 全可靠性实时综合分析预警系统已经在重庆城区供电公司投入运行,经过实际 运行检验和与其他系统的对比,证明基于电力设备新型在线监测技术的变电站 设备运行安全可靠性实时综合分析预警系统能满足用户的要求,并且达到了较 高的技术水准。 7 山东人学硕士学位论文 第二章光纤测温原理以及在电力系统中的应用 2 1引言 加拿大诺泰克公司开发的变压器绕组光纤吸收型温度测量仪利用光纤末端 的半导体晶体组成的光纤探头对光的选择吸收特性来测量温度【3 4 1 。美国 l u x t r o n 公司研制的w t s 1 l 型变压器绕组温度光纤荧光型监测系统进行变 压器绕组温升的监测利用荧光衰减速度和荧光体温度有关的性质实现对变压器 绕组温度的监测【3 5 1 。以上两种测温装置在高压电气设备温升监测的实际应用中 都取得不错的反响。但其价格相当昂贵,特别是光纤荧光型温度监测系统,国内目 前仍无类似产品,难于在国内大规模推广应用。电信号传感器具有温度测量精度 高,反应快的特点,但是电信号传感器存在着布线复杂、热敏电阻易损坏、系统维 护工作量大、易受电磁干扰、电信号传感器不具备自检功能,需要经常校验以及 温度漂移等缺点【3 6 1 。成都电子科技大学光纤国家实验室与龙羊峡、刘家峡水电 厂等合作,成功地开发了大型水、火发电机组的光纤温度传感器等多项传感技术, 但都属单点式测量,没有实现对电气设备温度的在线分布式测型3 7 】。天津大学 从传感器的结构特点和材料的物性系数出发,在理论上证明了光纤温度与 b r i l l o u i n 频移量之间存在线性关系,研制了了一种由分布式光纤温度传感器组 成的新型在线自动温度检测系统,应用于煤矿火灾报警【3 8 】。北京航空航天大学从 光学的角度出发,分析了基于r a m a n 反射的光纤分布式测温系统的空间分辨力 理论极限及影响因素。宁波振东光电子有限公司与秦山核电厂合作,将分布式光 纤测温系统用于电力电缆温度监控。但总体来说,国内的科研产品还不太成熟, 性能指标偏低,许多方面还有待改进。 基于前人的研究和以上分析,山东省科学院提出了一种新型的分布式光纤 布喇格光栅测温系统。由于作为被测对象高压电气设备往往不是一个点,而是空 间多点分布的,为了实现多点温度的在线监测及降低成本,需要采用分布调制的 光纤传感系统。因此本文采用波分复用技术设计了一种新型的基于波分复用技 术的光谱吸收型光纤布喇格光栅测温系统,实现对高压电气设备的在线分布式 温度监测。该系统具有测量精度高的优点,并具有高的绝缘强度和抗强电、磁 山东大学硕士学位论文 场干扰的能力,且成本远低于国外电气设备温度监测产品。该系统经过工程实 用检验,效果令人满意。 2 2光纤布喇格光栅测温的工作原理 光纤布喇格光栅( f b g ) 是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全 新光纤型f b g 光栅。成栅后的光纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生f b g 光栅效应,其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反 射镜。如图2 1 所示,当一宽光谱光源注入光纤,将产生模式耦合,f b g 光栅将反 射回一个中心波长为布喇格波长的窄带光波,其布喇格波长为: 以= 2 n 够a( 2 1 ) 其中挖为纤芯的有效折射率,人为光栅周期【3 8 】。 输入光潜 五 一-一 _ _ - _ - - - - 叫| i i | l l i l i 引 t l _ 一 _ 光纤光拇 反射光谱 天 透农,匕谱 图2 - 1 光纤布喇格光栅反射光谱不慈图 当传感器只受温度影响而不考虑应变的影响时,刀与人发生相应变化,则 刀酊与人可看作是温度t 的函数。设初始时光栅所处温度场为瓦,将以( t ) 作泰 勒展开,保留一项,则: 以( 丁) :以( 瓦) + 掣丁( 2 - 2 ) 式中a t = t r o ,由( 2 1 ) 式和( 2 2 ) 式可得: a a , b ( t ) :塑坠垄盟:上丝婴丁 ( 2 3 ) 名口( r )九( r )以( r ) d r 、 对( 2 1 ) 式取自然对数并对t 求导数得【7 】: 9 山东人学硕十学位论文 士堕d t = 士堕d t + 去坠d t ( 2 卅 砧玎够 人 、 。 式中去皇d 叠t 代表光纤光栅的热光系数,三a 坠d t 代表光纤光栅的热膨胀系 ,z 数,两者均为常数, k r _ 吻1 d 万n 万+ ! a 坠d t 。将( 2 - 4 ) 式代入( 2 - 3 ) 式得: 馏瑙心 ( 2 - 5 ) 砧( 丁) 。 、7 温度变化丁与布喇格反射波长变化a 2 b ( r ) ,二者保持良好的线性关系。 因此根据( 2 5 ) 式,可以利用测得的布喇格反射波长的变化以( d ,实现对被测 点温度的准确测量。如图2 - 2 所示为f b g 温度测量实验结果。 2 3 波分复用技术 图2 - 2f b g 温度测量实验结果 由于电气设备中的被测对象往往不是一个点,而是在空间广泛分布。为了实 现对被测对象温度的在线监测及降低成本,需要采用分布调制的光纤传感系统, 而波分复用技术的运用实现了对被测对象的分布式监测。 在一根传感光纤上串接多个f b g 传感器,宽带光源照射光纤时,每一个f b g l o 山东大学硕士学位论文 反射回一个布喇格波长的窄带光波。如果每个光栅的工作波长相互分开,则在 光源光谱宽度之内,理论上每条光路上可用的最大f b g 数为: n = 世| d p 其中p 为光源光谱宽度,咖为f b g 反射光谱的宽度。 如图2 3 所示,运用波分复用技术实现了对被测对象温度的分布式监测。 只要通过对波长的测量,就可以知道空间不同点的温度变化的准确值( 对应的布 喇格波长线性漂移) ,而且可以对空间位置进行准确定位( 对应不同的布喇格波 长1 。足够多个光栅的排列即可形成连续的具有高水平的空间定位精度和高分 辨率温度检测性能的新型光纤测温系统【3 1 1 。 入1九2 n n n l 卜- 一州l i 辩l l l l 卜7 多己- 嘈i i l 糯m _ 卜一 f b g lfbg盘f叠g一 图2 3 利用波分复用技术实现对温度的多点分布式监测 2 4基于波分复用技术的光纤布喇格光栅的分布式温升监测系统 的实现及实际应用 2 4 1 系统构成及实现 波分复用分布式f b g 温度传感系统包括大功率宽带激光源、单模光纤、一 组中心波长相隔几个n n l 的光纤布喇格光栅传感器、3 d b 光纤耦合器、三角波 发生器、光电转换电路以及集控制采集、读取数据、显示波形、信号解调处理、 文件操作等功能于一体的解调软件系统。解调系统软件开发以w i n d o w s 操作系 统为平台,使用v b 为开发工具,解调系统功能有控制采集、读取数据、显示 波形、数据处理、文件操作、调试功能等。该解调系统的波长分辨率为l p m , 波长精度为3 p m 。 山东人学硕士学位论文 该温度传感系统的一个光学通道可以同时连接大于4 0 个f b g 传感器,并 可扩展到3 2 个光学通道。该系统精度高、复用能力强,并配有标准数据接口。 系统构成如图2 4 所示整个系统开始工作时,首先由微机通过串口发出一个控 制信号触发宽带激光光源,发出一个宽带光谱,光信号经过传输光纤送到各个 光纤布喇格光栅温度传感器,各个传感器反射回以其布喇格波长为中心波长的 窄带光谱。各个反射的窄带光谱经由传导光纤传回,送到光电探测部分,经转 换得出包含布喇格波长变化信息的微弱电流,经过多级放大及a d 转换电路处 理后,送到计算机进行进一步的数据处理。通过对采集的大量数据进行最小二乘 法拟合分析处理,计算出各个光纤布喇格光栅波长变化,从而进一步得出被测 点的温度变化。 图2 _ 4 光纤布喇格光栅测温系统的结构示意图 2 4 2 系统技术指标及主要特点 毛 一唧一 了 反 ( 1 ) 系统主要技术指标 测量范围:5 0 - - - + 1 5 0 。c ;测量精度:o 3 ;分辨率:o 1 ;响应时间: 4 0 k m 。 ( 1 ) 系统主要特点 1 ) 采用波分复用技术,一根光纤可串接复用多个传感器,构成传感器阵列, 实现多点分布式的实时测量; 1 2 山东大学硕士学位论文 2 ) 施工方便,可维护性强; 3 ) 全光测量,传感器由绝缘材料制成,不受电磁干扰; 4 ) 以反射光的中心波长表征被测量,不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦 合损耗等因素的影响; 5 ) 绝对量测量,系统安装及长期使用过程中无需定标; 6 ) 光学材料耐高温,使用寿命长; 7 ) 成本较国外产品价格低廉。 2 4 3 应用实例 本系统光纤光栅温度传感器的安装方法采用表面粘贴的方法。传感器直接 粘贴在母线及开关的表面。光纤光栅传感器通过和室内光缆熔接后连接到光纤 光栅信号解调仪上,光纤光栅信号解调仪通过r s 4 8 5 通信口和后台计算机相连, 后台计算机把测量到的温度数据存储起来并在屏幕上显示从而实现了对开关 柜温度的监视,如果开关温度出现异常,系统将自动报警。该系统还和管理信息系 统( m i s ) 相连,开关柜的温度数据可以通过m i s 系统远传至中心监控站。光纤光 栅测温系统结构示意图如图2 5 所示: 图2 5 变电站开关柜光纤光栅测温系统结构示意图 山东人学硕十学位论文 第三章高压开关柜触头温度与故障的关系分析 3 1引言 最近几年负荷激增,使一些电气连接不良的环节出现由于发热而引起 温度过高,个别的恶性循环进而造成绝缘损坏,最后放电短路将开关柜烧 毁,甚至造成母线故障。 3 2高压开关柜触头温度分析 电气设备的发热是指电气设备本身以及它们与母线或电缆之间的电气相关 部位运行时产生的热量大于它的散热量。电气设备的发热已经是电力系统的一 个老问题,但随着设备负荷的增加,用户对供电可靠性要求的提高,在设备缺 陷管理中成为一个越来越突出的问题,并且它具有一定的恶性循环性质,值得我 们引起重视,认真研究其发生发展的原因,以便彻底解决。电气设备在工作的时 候,由于电流、电压的作用,将产生电阻损耗发热、介质损耗发热、铁损致热等 3 种主要的发热 2 5 1 。 电阻损耗发热 按照焦耳定律,当电流通过电阻时将产生热能,这是电流效应引起的发热, 大量表现在载流电气设备中。例如导流体或导流体之间的连接点电阻过大,通过 一定电流时就会引起发热。 介质损耗发热 电气绝缘介质由于交变电场的作用,使介质极化方向不断改变而消耗电能 并引起发热。由此产生的发热功率为: p = u 2 c o c t 9 8 式中:u 施加的电压;交变电压角频率;c 介质的等值电容;辔万介质 损耗角正切值。 这种发热为电压效应引起的发热。也就是绝缘的降低,引起泄漏电流的增 大,绝缘体也随之发热,形成恶性循环。 1 4 山东大学硕士学位论文 铁损发热 当在励磁回路上施加工作电压时,由于铁芯的磁滞、涡流而产生电能损耗 并引起发热。例如现中置式开关柜在负荷电流达10 0 0a 以上时,如不做工艺 处理,会引起柜体发热。 高压开关柜触头属于电流致热型设备,根据焦耳定律q = 1 2 尺丁可知,造成 设备发热的原因有两个,一个是电流,另一个是电路的电阻尺。 3 3高压开关柜故障与触头温度的关系 从高压开关柜触头发热机理来看,高压开关柜触头温度异常升高可能是以 下问题: 接触电阻r 增大,原因包括: ( 1 ) 导体连接部位的压紧螺栓或压紧弹簧的压紧力不恰当,导致连接部位 的接触电阻增大; ( 2 ) 导体相互连接的接触面不平整,造成接触面的通流容量降低,相对于 正常负荷电流该接触面的电阻尺相对较大; ( 3 ) 导体相互连接的接触面氧化、积灰,造成接触电阻增大; ( 4 ) 设备存在制造缺陷,个别环节的电气连接方式不当,造成通流容量较 小的“卡脖子 环节。 运行温度过高 电气设备接头( 母线连接等) 一般常用螺栓连接,当接头因气候或通过电 流密度太大等原因产生过热时,会导致膨胀,而铝或铜的膨胀系数大于钢,此 时因钢制垫圈所限,母线接头不能自由膨胀,当母线电流减小等原因致温度降 低后,母线的收缩率大于螺栓,于是压力下降,形成一个间隙,此时接触面位 置错开,接触压力降低,而导致接触电阻增加。温度的升高,又使母线接触面 氧化,破坏了原来母线金属面的直接接触,氧化膜的形成,又使接触电阻更大。 每次温度变化循环使接触电阻增加,又使下一次循环时热量增加,较高的温度 又使接触进一步变坏【2 6 1 。 环境温度的标准值定为2 5 c ,在实测环境温度为t ( ) 和实测绝热结构 外表温度为( ) 时,绝热结构外表温度的修正值t 聊( ) 的计算式为: 1 5 山东大学硕士学位论文 负荷电流j 增大 t m = 一( 乞一2 5 ) 设备的发热量与电流的平方成正比,而设备的散热量大约与温升的一次方 成比例,当电流增大到二倍时,发热量将增大到四倍,温升也将增大到四倍【4 6 1 。 3 4高压开关柜故障的判断方法 3 4 1 温度法 根据交流高压电器在长期工作时的发热 2 7 ( g b 7 6 3 - - 9 0 ) 3 2 条关于开 关触头的最高允许温度,结合浅析电气设备热故障的成因及判断中对于设 备触点温度限值的描述,综合分析后得到温度值的判断标准。 1 6 山东大学硕士学位论文 表3 1 电器长期工作最高允许温度和温升 序 曩裔允许激震 周橱空气涩度为 电嚣零伟,豺辩及介度的类 + o 埘的允许曩升 期1 ”。o k 号 空气中编审油中空气中镊中椎中 i 麓头”“ 景辑或裸橱台盒 7 5 9 08 0弘5 0 4 0 援强 9 09 06 05 05 0 赣礞域镶镰c 包括镶厚镁及囊 j 0 51 0 59 0e 56 5 6 0 锻片) 2 用螺推或篾值等教方法联结 的导体接舍部分” 糠钥。锞锅台垒秘豢铭或嚣镪 9 0l 1 5 06 5 合龛 镶( 搪) 薯 1 5l 瞒惦6 5 6 0 镀慑( 包播镶犀镶) 或键镶 1 1 5n 5i 0 07 67 s6 0 3 用其他攥金属捌成或袭萄麓 其他材辫的齄头或联结 4 用摄检或纛订鸟辩部导体联 结豹螭子” 攥锾糠锅食盒和镰锯镰锅 9 0 5 0 台金 镶篝) 竣镀镊( 包括董厚 1 0 5 髓 锻 苒匏锾豢” 5 髓开关用油“ 9 05 0 6 起弹簧馆用绚金麓零伟m 7 下列等级的绝缘榜辩及与其 接艘的金辅零俘4 “。” | 衡饕考摩发热对执镶强度 影响的。 y ( 对不浸缓材料) 聒9 0_ 一4 s 5 0 。一 a ( 尉浸在油中或漤渣过的 l o oj 0 01 0 06 0o 6 0 材料) 基b f h oi l ol 7 07 06 0 札不蔼蔓考露发热埘机被强 度影响的; y 对不援谖枋料) 9 09 0 _ 一 s o 5 0 a ( 对浸渡过的辩辩) 】l 1 0 05 05 06 0 1 拍l l s o8 06 0 b1 3 01 3 0i 0 09 09 06 0 山东人学硕士学位论文 表3 2 一般电气设备最高容许标准【2 8 】 3 4 2 温升法 设备的实际温度设备所在位置的现场温度= 该设备的温升。设备的温升l 可由下式求出: f l = t l t o 式中: t 1 设备的温度;t o 环境参照体的温度。 根据g b 7 6 3 9 0 以及我们一段时间的实测数据统计分析,热缺陷按温升的 高低及对设备的危害程度可将其分为一般性热缺陷、严重性热缺陷和危险性热 缺陷三种。 判断标准见表3 2 。 3 4 3 相间比较法 在同一电气回路中,当三相电流对称和三相( 或两相) 设备相同时,比较三 相( 或两相) 电流致热型设备对应部位的温升值,可判断设备是否正常,若三相 设备同时出现异常,可与同回路的同类设备比较,当三相负荷电流不对称时, 应考虑负荷电流的影响。相间温差丁可由下式求出: a t = 互一瓦i l i 式中:互一设备的温度;瓦m 一各设备中最低的温度。 山东大学硕士学位论文 对于型号规格相同的电压致热型设备,可根据其对应点温升值的差异来判 断设备是否正常,电压致热型设备的缺陷宜用允许温升或同类允许温差的判断 依据确定,一般情况下当同类温差超过允许温升值的3 0 时,应定为重大缺陷, 当三相电压不对称时应考虑工作电压的影响。 判断标准见表3 2 。 3 4 4 相对温差法 相对温差指两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。 相对温差最可用下式求出: r 一,丁一下 艿。= 1 兰1 0 0 = 1 生1 0 0 1 1五一r o 式中:t i 、t i 发热点的温升和温度;珏b 一正常相对应点的温升和温度; t 0 环境参照体的温度。 相对温差判断法的原理: 在载流部件的热平衡关系中,包括以下5 个部分的作用:电阻损耗产生的 热功率、吸收的太阳辐射功率p 。、对流散热功率p h 、辐射散热功率p r

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