电力开关柜光纤光栅测温系统方案-瑞达斯特.doc

光纤光栅温度监测系统技术方案电力开关柜光纤光栅温度监测系统技术方案北京瑞达斯特电气设备有限公司2014年12月目 录一、应用背景31、项目建设的必要性分析32、项目采用技术优点分析43、技术优势5二、系统方案参照标准：5三、系统介绍61、技术特征：62、技术参数：63、工作原理：73.1、光纤光栅传感系统：83.2、光纤光栅网络系统：83.3、光纤通讯传输网络：83.4、信息处理及分析系统：8四、光纤光栅测温技术简介81、光纤光栅探测器的发展：82、光纤光栅测温原理：9五、电力开关柜监测的测点布置及安装实施方案101、电力开关柜光纤光栅感温火灾探测系统组成102、电力开关柜光纤光栅感温火灾探测系统安装102.1总体简介：102.2光纤光栅感温探测器布点112.3 本方案特点：123、系统主要设备介绍：133.1、光纤光栅感温火灾信号处理器：134.2光纤光栅感温探测器14六、工程范围15七、质量保证计划（高度重视质量保证特制定本计划）151、项目运营整体质量保证152、项目审核措施17八、售后服务：19 一、应用背景1、项目建设的必要性分析安全是一切生产问题的一项重要出发点。在电力系统中，所发生的火灾，大部分都是由于温度过高或过热引起的，如 不及时发现处理，往往会导致事故或火灾的发生但是现有的火灾探测器仅能对 已发生的火灾进行探测(烟或者明火)，而在火灾发生之前，温度是逐渐积累上升 的，这个积累过程时间比较长。如果能对电力系统中易发生热故障的电气设备的 温度变化进行跟踪检测并及时发出警报，无疑会给火灾的预防带来极大的好处。 电气设备的过热故障可分为两类：外部热故障和内部热故障。电气设备的外 部热故障主要指裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高， 接触电阻增大，恶性循环造成隐患。高压电气设备内部热故障的特点是故障点密 封在绝缘材料或金属外壳中，如电缆，内部热故障一般都发热时间长而且较稳定， 与故障点周围导体或绝缘材料发生热量传递，使局部温度升高，因此可以通过检测其周围材料的温升来诊断高压电气设备(如电缆)的内部故障。 目前，已有很多方法对易发生热故障的接头或电气设备的温度进行检测。近几年来，随着各种新型传感器件的出现，电力系统中的温度监测技术也越来越先 进，其中以光纤光栅传感器为代表的光纤传感器尤其突出，因为光纤光栅传感器跟传统传感器相比，具有抗电磁干扰、损耗低等显著特点。所有工程师和系统设计师都会选择能满足工作环境温度的电缆。然而，极端温度带来的方方面面的影响是很容易被忽略的。例如，标称温度范围为-13的电缆在-13时电性能可以不受影响，但低温却会影响其物理性能。温度高,会造成电阻增大,进一步使导体温度升高.则电流减小.另外如果导体温度过高,对绝缘会造成破坏. 电缆故障在发生和发展的过程中都会表现出同一种现象，即故障点周围异常发热。随着运行时间的延长、压接头的松动、绝缘老化、以及局部放电、高压泄漏等，都将引起温度的升高，而温度的升高又使得这些状况进一步恶化，如此恶性循环的结果必定引发电缆短路放炮。带来巨大的经济损失、恶劣的社会影响本项目的社会意义和经济意义重大。本项目抓住温度变化这一主要矛盾，通过对温度的监测，预知并防止电缆放炮事故的发生，将事故消灭于萌芽状态。是行之有效的预防和减少电缆故障的方法。在最短时间内、以最快的速度监测到故障电缆的温度、及时查明故障电缆所在位置，并尽快告之值班人员及相关领导有关故障情况、严重程度、所在地点，以便及时处理。实现对电缆故障位置判断的超前性、准确性、快速性。运用本质安全手段，解决电力电缆的安全隐患和建立全面数字化管理体系是本项目的最大特点。部分解决了当前电力安全监测的隐患或薄弱环节，提升了电力设施的数字化管理水平。不管从技术的领先性，还是从安全管理的必要性上，开发、应用和产业化电力光纤光栅安全监测与数字化管理系统具有重要的意义。本系统创新性的运用光纤光栅这一无电监测方法解决了电缆温度无电监测预报警问题，解决了电力设施的部分安全隐患。应用此系统可以作为该电力安全监测和数字化管理的重要设施，来完善管理，健全安全体系，预防火灾等隐患事故的发生。2、项目采用技术优点分析无电安全监测技术是本世纪兴起的前沿应用学科，是自动检测的革命性技术。光纤光栅是一种新型全光纤无源器件，与普通传感器相比，具有不可比拟的优点和特点。它本质防爆、无电传感、化学稳定、传输距离远、可用于对外界参量的绝对测量，这种特性在传感器领域中引起了革命，该技术代表了新一代传感技术的发展趋势。其产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 本质安全。 电力槽沟内无电测量。 本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣和高危环境中的应用。 成功的解决了感温预报警等隐患。 防电磁感应、抗干扰能力强。 反应敏捷、响应快速、安全可靠。 光纤光栅传感器小巧、柔软、便于实施。 远距离、大范围、无人值守自动监控。 具有长期的稳定性。 它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测。 充分体现“本质安全+可靠耐用的性能”。3、技术优势技术优势内容1：无电测量技术以往在一些危险场合的参数测量多采用手工测量和电子测量，这里我们采用现场无电测量技术，实现了真正的本质安全。包括：实现了光信号到电信号的转换、实现了温度、应力的信号转换、实现了感温预报警监测。 充分体现：本质安全+可靠耐用技术优势内容2：提出了解决安全监测和管理的一体化方案为了提高系统解决问题的能力，较为全面的提出了安全监测和数字化管理的解决方案。安全监测：针对目前电力设施的隐患，重点解决电力电缆感温无电监测预报警系统。可将数据传送至安全报警系统，声光和电话报警，实现与消防的联动。数字化管理：根据各种测量参数，对电力电缆温度、安全等数据实施全面的自动化实时监控。技术优势内容3：实现了光纤光栅信号的传感解调利用可调谐法布里珀罗腔（FP腔）对FBG传感器的反射波长进行检测。实现光纤光栅信号的传感解调。输出不受光的强度、光纤连接和耦合损耗、光源功率等因素的影响，这是光栅传感器的最重要有点之一。 技术优势内容4：传感器的技术优势光纤光栅是一种新型全光纤无源器件，与普通传感器相比，具有不可比拟的优点和特点。它本质防爆、无电传感、化学稳定、传输距离远、可用于对外界参量的绝对测量，这种特性在传感器领域中引起了革命，该技术代表了新一代传感技术的发展趋势。其产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 二、系统方案参照标准：1、爆炸性气体环境用电气设备 GB3836.1-2000 2、爆炸性气体环境用电气设备 GB3836.2-20003、线型感温火灾探测器 GB16280-20054、电力装置的电测量仪表装置设计规范 GB/T 50063-20085、火灾自动报警系统施工及验收规范 GB50166-20076、消防电子产品检验规则 GB12978-2003 7、电力系统安全稳定控制系统检验规范 GB/T 22384-20088、光纤光栅感温火灾探测信号处理器企业标准 Q/LAP022005 9、光纤光栅感温火灾探测器企业标准 Q/LAP022005 三、系统介绍电力开关柜光纤光栅感温火灾探测系统是一种新型的温度探测报警系统。系统采用最新生产工艺，长期稳定性好，使用寿命长；光纤光栅感温火灾探测信号处理器采用国际最先进地数字化解调技术，具有大容量实时在线信号采集处理和自检功能；系统可以综合各种安全监控参数，进行分析，有利于及时发现事故苗头，及时安全控制，实现生产和安全的双重监控功能。 从感温火灾探测器到监控中心感温测量及信号传输全部采用光信号，实现无电检测，本质安全防爆。1、技术特征：1.1、采用光纤光栅感知温度和位置信息进行信号检测、信号传输，实现无电检测，本质安全防爆；1.2、使用先进的光纤光栅作为测量单元，技术先进，测量精度高；1.3、光缆及光栅长期工作温度范围达-30到120，瞬时可达200，应用范围广；1.4、采用分布式测量方式。测量点多，方式灵活；1.5、通过系统硬件对温度信息解调；1.6、最高温度点定位至每一个探测器；1.7、系统结构紧凑，安装简单，维护方便；1.8、通过软件，可以根据实际情况设定不同的预警值、火警值；2、技术参数：系统具有以下技术参数：2.1、测温范围：-30+1202.2、测温精度：22.3、环境温度：0+452.4、温度分辨率：0.12.5、火灾报警信号输出端子：预报警、报警、420mA信号2.6、外接信号通讯协议：RS232/4852.7、光纤信号最大传输距离：10km2.8、响应时间：1s2.9、测量光缆通道数：16通道系统具有以下功能：2.1可实时监测运行状况，并对故障点进行报警2.2、定温报警温度设置：在测温范围内可任意设置2.3、报警级别设定：预警、火警2级报警3、工作原理：对于配电室这样的特殊环境，如果等到事故产生了，再进行报警，就没有意义了，这里采用温度定温预报警。更多的电缆上光纤光栅感温探测器可以串接在一起，由一台或多台光纤光栅火灾感温探测信号处理器完成信号采集和解调。光纤光栅感温火灾探测系统的基本原理是:当由于各种不同的因素导致电缆上光纤光栅周围的温度发生变化时,将导致光栅周期或者纤芯折射率产生变化,从而产生光栅布喇格信号的波长位移,通过监测布喇格波长的变化情况,即可获得油罐上光纤光栅周围温度的变化状况.简言之，光纤光栅布喇格波长的变化与环境温度的变化有着简单的线性关系，通过测量光纤光栅布喇格波长，可以测得环境温度。当温度的变化或者温变速率超过事先设定的某个门坎值时,即可给出报警信号.由此可知，光纤光栅感温火灾探测系统采用的是数字式测量技术，与传统测量技术相比，具有更高的稳定性；使用的是无电检测，因而安全性更好。光纤光栅火灾报警器系统结构示意图监控中心内火灾报警控制器测试现场光缆光纤光栅火灾感温探测信号处理器光纤光栅感温探测器3.1、光纤光栅传感系统：该系统应用先进的准分布式光纤光栅传感技术，通过光纤光栅感温火灾探测器，将被测物体量转变成便于记录及再处理的光信号。由于从探测器输出的信号为光信号，所以可以直接通过光缆进行远距离传输。3.2、光纤光栅网络系统：该系统的功能是通过放置在监控室的光纤光栅火灾感温探测信号处理器将光纤光栅传感器经光缆远程传输过来的光信号直接进行解调，并将报警信号传送给火警报警控制器系统。3.3、光纤通讯传输网络：不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息处理及分析系统上。3.4、信息处理及分析系统：该系统由光纤光栅感温火灾探测信号处理器以构成，信号处理器系统功能包括系统的信息收集、处理、传送分析、传送、预警、报警功能。四、光纤光栅测温技术简介1、光纤光栅探测器的发展：光纤光栅探测器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传感器。光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，利用光纤光栅制成多种传感器如温度、应变、应力、加速度、压强等传感器。不同的光纤光栅传感器可具有不同的工作波长，因此可以利用波分复用技术，在一根光纤级联多个光纤光栅传感器作分布式测量。它具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。光纤光栅温度传感器是光纤传感器中发展最快的一个分支，它取代传统的温度传感器，如电阻应变片，与电阻应变片相比，光纤传感器具有体积小，重量轻，不受电磁干扰，抗辐射，分布式测量等显而易见的优势，所以它特别适合在易燃，易爆，和强电磁等特殊的场合应用。2、光纤光栅测温原理：光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制（如图1所示），所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。 A 光栅条纹周期 图1 光栅结构示意图 光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光栅。光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，刺中心波长为布喇格波长。如果光栅处的温度发生变化，由于热胀冷缩，光栅条文周期也会跟随温度变化，光栅布喇格波长也就跟着变化。这样通过检测光栅反射光的波长变化，就可以知道光栅出的温度变化。实际光纤光栅分布式传感系统基本原理如图2所示。一根光纤上串接的多个光栅（各具有不同的光栅常数），宽带光源所发射的宽带光经Y型分路器通过所有的光栅，每个光栅反射不同中心波长的光，反射光经Y型分路器的另一端口耦合进光纤光栅感温探测信号处理器，通过光纤光栅感温探测信号处理器探测反射光的波长及变化，就可以得到解调数据，在经过处理，就得到对应各个光栅处环境的实际温度。图2 光纤光栅分布式传感系统基本原理图五、电力开关柜监测的测点布置及安装实施方案1、电力开关柜光纤光栅感温火灾探测系统组成光纤光栅感温火灾探测系统是由光纤光栅感温火灾探测器、传输光缆、光纤光栅火灾信号处理器组成。光纤光栅感温探测器安装在电缆槽盒中用于采集现场温度，通过传输光缆将采集到的光信号传回给光纤光栅感温火灾信号处理器。光纤光栅感温火灾信号处理器可进行声光报警，再将采集到的信号以标准信号的方式输出，实现现场消防联动。2、电力开关柜光纤光栅感温火灾探测系统安装2.1总体简介：开关柜长期运行过程中，开关柜中的刀闸触点和母线排连接处等部位因老化 或接触电阻过大而发热。由于开关柜内高压的结构特点，这些发热部位的温度往 往无法及时监测，容易导致火灾事故。光纤光栅温度在线监测系统可实现实时温 度监测，及时的提供准确温度信息，避免火灾事故的发生。本方案需要对电力开关柜安装测温系统，电力开关柜选用光纤光栅感温火灾探测系统，采用耐高温绝缘的陶瓷材料封装，实现电力开关柜测温、预报警、报警。本项目共计200个光纤光栅感温探测器，光纤光栅感温火灾信号处理器安装在控制室，光纤光栅感温探测器安放在电力开关柜中部角铁支架上，共16串，每串占用光纤光栅感温火灾信号处理器一个通道，编号为116。所有分支单芯光缆与主光缆在熔接盒内连接，主光缆另一端通过专用设备、联线与光纤光栅解调器连接。光纤光栅解调器通过专用线与外接端子分配器连接，外接端子箱输出报警开关量。2.2光纤光栅感温探测器布点根据要求在布点时采用采用黏贴方式安装在电力开关柜上。 电力开关柜光纤光栅温度监测系统结构：图1 光纤光栅电力开关柜温度监测系统示意图（串联）图2 光纤光栅电力开关柜温度监测系统示意图（并联）案图1及图2为光纤光栅电力开关柜温度监测系统示意图，将光纤光栅传感 器安装在开关柜内，几个开关柜中的传感器可串联（或并联）接到一根光纤上， 共用解调仪的一个通道，一般一个通道可接二十个传感器。变电站所有传感器串 联或并联接成m组通过光缆连接到控制室解调仪的m个通道上，解调仪将传感器的 波长值转换成温度值，同时对过高的温度值进行报警，并通过网络将信息送到供 电局的监控计算机上。供电局根据报警的情况可判断哪个变电站的哪个开关柜发 生异常，并及时采取必要的措施防止火灾事故的发生。从图41及图42可以看 出，在变电站开关柜的高电压区，系统完全是由光纤、光缆组成的一个全光网络， 有很强的抗电磁干扰能力，且不导电，非常适合高压开关柜的温度监测，在一般 情况下选用高功率光源，每通道可以并联12个传感器。2.3 本方案特点： 测温范围覆盖所有的电力开关柜。 各通道电力开关柜与电力开关柜之间布点无联系，温度信号走不同的通道。避免重复铺设。 不占用维护过道，不妨碍电缆铺设、维护。 走线整齐，便于维护，布点合理，造价低。 针对电力开关柜实现测温、预报警、报警显示。 可根据温度的升高速率进行报警，并可设定报警速率值。 最高温度点定位至每一个光纤光栅感温探测器。3、系统主要设备介绍：3.1、光纤光栅感温火灾信号处理器：我公司的光纤光栅感温火灾信号处理器为特别为多点测温系统而设计的光纤光栅信号处理器。可同时对一个通道内的温度传感器进行扫描采样。基于高端传感器查询系统所采用的光纤F-P可调滤波技术，为降低成本而设计尤其适合需要使用大量传感器的监测系统。RD-GS201D型光纤光栅感温火灾信号处理器对恶劣环境适应良好，适合在极端温度条件下的温度长期监测使用。可以广泛应用于不同的变电所电力开关柜光纤光栅感温火灾探测系统。 RD-GS201D型光纤光栅感温火灾信号处理器包括光纤光栅解调器、外接端子分配器两部分组合。1） RD3000GS-1型光纤光栅解调器RD3000GS-1型光纤光栅解调器是我公司最新研制成功的高科技产品，适用于光纤光栅温度传感器、光纤光栅应力传感器、光纤光栅应变传感器等各类光纤光栅传感器的信号检测，可广泛应用于航天航空、石油化工、建筑、桥梁、电力、水利、船舶航运、医学等各个领域。是光纤光栅传感器工业化应用与光纤光栅传感技术研究的必备设备。光纤光栅解调器是光纤光栅感温火灾信号处理器的核心采集单元，基于高端传感器查询系统所采用的光纤F-P可调滤波技术，当探头现场温度变化时，解调数据也跟随变化。此数据由光纤光栅解调器输出送给工控机进行处理。2）RD3000GS-1型外接端子分配器是满足不同安装场合的需要配备的外接多路输出设备。 RD3000GS-1型多端口输出需求，我公司在光纤光栅感温火灾探测系统中配备了外接端子分配器设备，可以对每个通道输出预、报警开关信号，420mA信号、故障信号，可与消防PLC系统级联信号输出，这些信号均为无源接点信号。 4.2光纤光栅感温探测器用于电力开关柜温度测量 光栅感温探测器套装耐高温、防爆、防腐蚀的陶瓷套管中，主要作用是加强对光纤光栅的保护，定制铠装光缆和保护套的使用使光栅感温探测器光缆线路的安装施工能够经受恶劣环境。光纤光栅感温探测器指标：项 目参 数标准量程30120C（可定制量程）测量精度2 外观尺寸 7mm 55mm （可定制其他尺寸）安装方式粘贴、固定或捆绑波长范围1525nm1565nm反射率80%尾纤种类铠装尾纤长度10.1米（可定制长度）连接方式熔接封装结构专业的防腐蚀、防潮设计、耐高温陶瓷陶瓷使用寿命大于7年六、工程范围本电力开关柜光纤光栅感温火灾探测系统的工程范围包括全系统的方案设计、设备安装、参数调试、试运行、技术培训、提供资料、交付使用、质量保修等多个单元项目，形成一个满足用户要求、高可靠性的完整系统。1.1、传感器部分：包括RD02GS型光纤光栅感温探测器、连接部件的安装调试。1.2、控制部分：包括A RD3000GS-1型光纤光栅感温火灾信号处理器、通讯接口、仪表控制柜的安装调试。1.3、传输光缆、电缆敷设。1.4、现场管线敷设。1.5、提供系统安全运行及维护的全部技术资料。七、质量保证计划（高度重视质量保证特制定本计划）1、项目运营整体质量保证1.1团队协调项目的实施进度和实施质量，以及后续的系统维护等各个环节都十分关键。因此，必须保证项目的按期、保质完成，同时必须具有一定的灵活性，能够在紧迫的时间压力下，最大限度地在时间、质量和实施范围上取得各方满意的平衡。为保证项目的顺利进行，项目组将充分发挥团队精神，在项目的实施全过程中积极配合，认真完成预定的各自任务。1.2制度化管理我公司的ISO9001质量保证体系经历了建立、培训、考核、内审、管理评审等阶段，通过了认证机构的审核，取得ISO9001质量体系认证证书。我公司以国际化标准的ISO9001质量保证体系为准则，结合项目管理与库区项目实施，已形成应用过程管理&ISO9001一体化管理体系，以制度化、规范化的管理为项目按期保质地达成提供了完善的保障。1.3设立三阶段过程管理工作模式事前进行任务分析（目的是明确其中的关键技术与业务问题，当场确定解决方案），制定实施计划并设定验收标准。事中进行质量及进度检查，发现问题马上纠正解决，保证错误不扩散。事后按照设定的验收标准进行验收。1.4制定计划、跟踪和报告的方法项目计划的目的是为完成项目的工程和管理而制订的合理的计划。该计划提供完成和管理项目活动的基础，并按照集成项目的资源、约束和能力，阐述对集成项目建设双方的约定。项目跟踪和监控的目的是建立对实际进展的适当的可视性，使项目经理或者是更上层领导能在集成项目进程明显偏离计划时采取有效措施。项目跟踪和监控包括对照已文档化的估计、约定、计划评审和跟踪工程完成情况和结果，当实际结果超过项目计划变更的阀值时，基于实际的完成情况和结果调整项目计划。项目启动阶段的已文档化的项目计划用作跟踪工程活动、传送状态和变更计划的基础。项目经理监控工程活动，主要通过在所选出的集成工作完成时和在所选择的里程碑处，将实际的工程规模、工作量、成本和时间表与计划相比较，来确定进展情况，当确定未实现项目计划时，项目经理分析实际与计划之间产生差距的原因，并将采取纠正措施，项目经理对于自己不能处理的问题向上一级领导汇总，以获取上层的支持。项目过程监控审核方案1.5项目的全过程监控根据本项目的特点，我们的项目管理将重点关注项目组的前期准备、过程控制、文档控制、沟通管理、问题报告等方面的质量与客户满意度。1.6问题管理在一个项目进行进程中，会碰到各种各样的问题，问题管理作为项目管理的一个重要组成部分，是设计用来解决问题的标准流程。发现问题项目经理通过项目成员所填写的问题报告了解问题所涉及的人员、性质、问题的严重性。复审问题项目经理与问题所涉及的人员沟通，以求得解决问题的策略，如果问题是一个很容易解决的问题，则项目经理可以马上处理，做出结论，并记入问题报告。评估和解决问题对比较复杂的问题，项目经理可以指定一个项目成员对问题做出综合评估：问题的影响范围是否是只在这个项目范围之内、这个问题影响项目的哪一部分、解决问题需要什么资源和多少时间、问题的紧急程度等，并在此基础上形成解决问题的办法。问题归档将问题和相应解决办法的文档整理归档。问题上报机制问题上报机制作为整个问题管理的有机组成部分，为了快速、有效地解决问题，问题上报机制将制定问题在项目组织内升级的原则，当项目中遇到问题时，原则上的上报流程为：项目小组成员项目小组组长项目经理（我公司项目监理）项目领导小组。1.7沟通管理项目中的重要决定、客户需求都是良好、有效的沟通的结果。沟通管理的目的就是通过制定的准则使项目中各种形式的沟通有效并达到沟通的目的，规避落入空谈的风险陷阱。项目沟通一般以会议为主要形式。包括一般会议、项目例会及领导例会等。2、项目审核措施在项目实施的整个过程中，由独立的质量控制组对整个项目生命周期内的各个阶段的项目流程和文档进行审核，保证流程得到实施。质量控制组主要从以下几方面进行质量的检查与审核工作：2.1项目日常活动与规程的符合性检查质量控制组相对独立于项目组，质量控制组一般会在两个阶段点之间设置若干小的跟踪点，来监督项目的进