光纤光栅温度在线监测系统.doc

电力设备光纤光栅温度在线监测系统光纤光栅温度在线监测系统 技术资料成都精翔科技有限公司2014年11月目 录一、公司简介2二、应用背景3三、系统介绍41、系统组成42、系统特点43、系统软件功能54、系统技术参数55、系统原理65.1光纤光栅温度传感器原理65.2光纤温度传感器设计7四、实施方案71、总体监测方案82、系统结构83、系统安装设计参考实例93.3.1 光纤光栅信号解调系统的安放93.3.2 传输光缆的敷设（示意）9五、保修及维护13一、 公司简介成都精翔科技有限公司（位于四川省成都市高新区利通时代晶座2栋1110号）是一家有着丰富的技术人才资源，是一队办事认真、作风踏实、充满活力的队伍，有理想，负责任，是大西南地区系统集成领域的一队主力军。公司专业从事电力自动化系统、智能化系统、系统解决方案服务供应商、系统集成商。凭借雄厚的技术力量和研发能力取得一定成绩的业绩。公司的口号： 精益求精，展翅高飞 。公司的宗旨：精制策划，非凡创意，一流品质，高效服务！公司的立足之本：诚信为本，用户至上，不断创新，挑战自我。公司的服务范围：应用解决方案的设计、系统集成、专业条码打印系统及配套耗材、工业化温湿度检测及管理系统、电力二级库房设计建设、电力设备温度在线监测系统、多媒体教室设计建设、电子商务、门禁系统、技术咨询服务以及行业业务信息化整体解决方案的提供及实施。业务、产品涉及电力、通信、教育、医药、商业、建筑、物流、金融、交通、办公自动化等多个领域。公司致力于新的技术创新。硕士学历以上员工占公司总人数40%，其中本科以上学历及高级职称人数占公司总人数的70%。技术团队骨干成员，多年来一直频繁同外界行业客户、科研机构相互合作和交流，逐步形成了从产品规划、设计、测试到质量控制一整套规范、适用的设计开发体系。公司除拥有一批长期从事各行业应用软件研发的专业队伍外，在硬件和工业自动控制、机电一体化设计实施方面，也具有较高水平，能够满足各类研发所需。为保障公司的研发工作始终处于一个较高水平和跟踪最新技术发展动态，我公司除在西南范围内招聘专业人才外，还与微软中国分公司、四川大学、中科院、西南交大、电子科大等机构以及北京、上海、广州各类大型IT企业保持着密切的联系和交流。主要包括以下几大类产品：u 分布式光纤测温预警系统u 光纤光栅温度在线监测系统u 电缆、光缆交接箱/交接间集中监控管理系统u 机房、仓库综合环境监控系统成都精翔科技有限公司终坚持“科技为本、质量至上”的方针，以满足社会、服务社会为己任，和高等院校强强合作，依托最新的电子信息技术，注重技术创新，结合实际，持续进行过程改进，密切与客户的伙伴关系，加强与业界的合作，努力提供国际先进水平的产品和客户满意的服务，充分满足社会的需求和期望。成都精翔科技有限公司监控产品配备有专业化的施工队伍和经过考核认证的工程督导，能够保证用户工程规范、可靠、安全、及时的实施，并能提供完善的工程中后期服务。二、 应用背景电力工业中的设备大多处在强电磁场中，一般电器类传感器无法使用。高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时检测都要求绝缘性能好，体积小。光纤光栅具有的抗电磁干扰和它的安全性能恰恰能满足在这种环境条件下使用。在强电磁环境中，关键基础用电设备的安全运行是企业生产的必要保障，也是整个国民经济正常运转的基本保证。电气设备产生故障的大部分原因是设备过热引起的，主要可以分为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，接触点氧化引起接触电阻增大，恶性循环造成隐患。此类故障占外部热故障的90%以上。统计近几年来检测到的外部热故障的几千个数据，可以发现线夹和刀闸触头的热故障占整个外部热故障的77%，它们的平均温升约在30左右，其它外部接头的平均温升在20-25之间。 成都精翔科技有限公司光纤光栅在线温度监测系统具有绝缘度高、不受电磁环境影响、适合远距离、高质量信号传输，测量精度高等优点，特别适合电力这种高电压、强磁场的环境使用，因此从根本上解决了传统测温设备的缺陷，为电力设备的安全运行提供可靠的技术保障。为什么要测温？ 1、温度表征设备的运行是否正常； 2、高压开关柜是重要的电器设备，内部触点、连接点在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接触电阻过大而发热，发热部位容易成为安全隐患。目前的测温手段是什么？目前电力行业主要测温手段是红外测温。当前测温手段的不足之处和难点？ 1、红外测温必须与待测物体保持一定的距离，数据易受环境参数影响，真实性差； 2、中高压开关柜目前都为密封状态，运行状态下进行人工巡检几乎不可能，因此，柜内设备运行状态的信息就成为监测盲区； 3、红外测温在开关柜运行状态下无法获得内部设备的温度信息，不能及时发现故障并预警，因此可能带来损失。电力行业测温的必要性和意义 1、提升设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态下的健康程度，降低设备事故率，符合“无人职守变电站”目标； 2、提供运行设备的在线监测，降低人力成本，自动化程度高，减少停电检修的盲目性，为设备维护提供科学的依据，符合设备“状态检修”目标； 3、在电力系统向着500kV及以上超高压、大容量发展中，绝缘、实时、在线的监测手段具有重要的意义，使得监测无盲区，符合电力发展趋势； 4、具有重大的经济效益，在事故酝酿期发现隐患并报警，具有重大的经济效益和社会效益。三、 系统介绍SP-FBG-POWER01光纤多点温度在线监测系统是成都精翔科技有限公司针对电力系统高压、强电磁干扰的特点开发的，采用国际先进的光纤光栅温度传感技术，具有耐高压、不受电磁干扰、本质安全、长期可靠、易扩展等优点，对发电及供电系统的发电机、高压开关柜、环网柜等监测点的温度进行实时在线监测; 该系统基于拥有自主知识产权的软件系统实时显示当前温度，利用数据库管理具有很强的数据分析功能，是解决电力系统火灾预警的最佳方案，对于保障供电网络稳定运行、工矿企业的安全生产具有重要意义。1、系统组成 光纤光栅传感系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调设备组成。光纤光栅传感器主要用于获取温度、应变、压力、位移等物理量的值，光纤光栅解调设备用于对传感器信号的检测和数据处理，以获得测量结果，通过光纤能够实现遥测。 2、系统特点l 安全性高：整个系统的信号处理和控制单元处于远离工作区域的控制室，传感器对温度信号的采集在无电（本身不带电）的情况下进行，本征更安全；l精确度高：采用光纤光栅温度传感器，典型精度1；l容量大： 温度测量系统最大可以接入32路传感器，每路可串联12个测点，单台设备最大可以完成384个温度测点；l方便定位：通过软件关联技术，能够快速定位测点的区域或者具体物理位置；l 实时在线测量：系统采用的光源使用寿命长（20年以上），能够满足实时在线、全天候监测的需要；l 快速响应：系统响应时间不超过60秒，确保事故能够得到及时处理；l 简单直观：在温度测量系统的显示屏上可以直接看到各被测点的温度情况，在设定温度告警门限后，系统自动提供声光报警；l 布设方便：可以根据工程需要，灵活调整传感器的布设位置；l 良好的兼容性：通过各种通讯接口（串口、网口等），可以实现与外部系统的良好结合，提高系统之间的数据交换速度。l 使用寿命长：在正常工作情况下能安全运行20以上年。l 自动化程度高：数据可直接入DCS、ECS、SIS、MIS等系统3、系统软件功能 显示功能：立体流程画面的显示功能；具有多种类型图表、系统图、曲线图，用户界面更加直观； 分析功能：历史趋势显示，对未来趋势进行评估，提供检修参考信息； 报警功能：根据实际情况设定不同地点的定温及差温预警值、火警值、报警级别及地理位置名称；系统可设置声音报警功能； 打印功能：可以进行各种报表的打印； 上传功能：实时温度数据网络上传，轻松实现无人值守； 自检功能：系统中某一个传感器出现故障，能够通过软件甄别出故障传感器； 表格定制：用户可定制各种表格：实时数据表、历史数据及统计报表、设备参数表、 报警一览表、常用数据表、目录表、备忘录等。 查询功能：可以在系统图上直接查询设备信息、运行参数、统计信息等。4、系统技术参数项目参数值单位备注测温范围-20 130温度分辨率0.1测温精度0.5温度响应时间 60S 单通道扫描时间 3S 画面数据刷新12 60S可选通道数 1-32-根据监测点数量确定单通道传感器容量12支 传输距离10Km系统软件基于WINDOWS操作系统-温度数据同步采集报警声音报警-超温报警系统工作温度0 45电源220V10%AC5、系统原理5.1光纤光栅温度传感器原理本系统的温度采集基于光纤光栅温度传感器。光纤光栅（FBG）是一种反射式光纤滤波器件，通常采用紫外线干涉条纹照射一段10mm长的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，在布拉格波长上，在光波导内传播的前向导模会耦合到后向反射模式，形成布拉格反射。对于特定的空间折射率调制周期（）和纤芯折射率（n），布拉格波长为：B2n（1）由式(1)可以看出：n与的改变均会引起反射光波长的改变。因此，通过一定的封装设计，使能外界温度、应力和压力的变化导致n与发生改变，即可使FBG达到对其敏感的目的。图2.1 光纤光栅原理示意图FBG中心波长与温度变化的关系为BB（1）T（2）式中，B是温度变化引起的反射光中心波长的改变；T为温度的变化量；为光纤的热光系数。在1550nm波段，FBG对温度的敏感系数分别为：10pm/oC图2.2 光纤光栅温度传感器温度测试数据5.2光纤温度传感器设计用耐高压绝缘材料封装的COWI-GXT 01型光纤光栅温度传感器如图2.3所示。图2.3 耐高电压绝缘封装光纤温度传感器，采用3mm光缆四、 实施方案 以XGN2-12型10KV开关柜（数量10个）的实施方案为例：1、总体监测方案1) 在每个开关柜的内部安装12个光纤光栅温度传感器，采集温度信息；2) 在主控制室内安装1套高精度光纤光栅信号解调系统，对10个开关柜共120个测温点的温度、温升信息进行分析，预警报告。2、系统结构光纤光栅信号解调系统光缆终端盒传输光缆每个开关柜内布置12个光纤光栅温度传感器光缆终端盒Web发布局内监控主机变电站控制室图3.1 10kV 高压开关柜温度在线监测系统示意图系统各部分的功能描述：a) 光纤光栅温度传感器：布置在高压开关柜内，采集温度信号。b) 传输系统：将温度传感器信号传到控制室内的光纤光栅解调仪。c) 光纤光栅信号解调系统：对温度信号进行解调，提供现场温度的实时信息。d) 系统软件：给整个系统的运行提供软件支持。3、系统安装设计参考实例实例背景介绍：l 变电站电压等级：110kvl 10kv开关柜型号：XGN2-12l 开关柜个数：103.3.1 光纤光栅信号解调系统的安放光纤光栅信号解调系统安装在变电站的控制室内，光纤光栅信号解调系统引出一根光缆到10通道扩展模块。图3.2 光纤光栅信号解调系统照片3.3.2 传输光缆的敷设（示意）16芯电力用传输光缆敷设在地下电缆沟内，通过两个光缆终端盒将光学扩展模块与高压开关柜内的光学分路器连接。示意图如下：光学扩展模块16芯电力用传输光缆光纤分路器高压开关柜高压开关柜共10个地下电缆沟光缆终端盒图3.3 信号传输光缆布线示意图3.3.3 开关柜内传感器的安装及光纤走线（示意）在每个开关柜内安装12个光纤光栅温度传感器，安装位置信息如下表：表3.1. 开关柜内光纤温度传感器安装位置列表位置测温点数量内容主开关室开关触点3检测触点温度主开关室柜壁1检测开关室整体温度母线室母线搭接点3检测母线搭接点温度母线室柜壁1检测母线室整体温度电缆室电缆接头3检测电缆接头温度电缆室柜壁1检测电缆室整体温度.3.3.1 温度传感器的安装（示意） 确定温度测点具体位置 对测点位置进行打磨处理，使测点位置平整、清洁，满足传感器安装要求 将铜基座用胶固定在待测点上 将温度传感器固定铜基座上面 记录安装时的温度和检测点传感器波长耐高温胶铜基座传感器尾纤待测温点光纤光栅温度传感器固定示意图：正视图（左）、侧视图（右）图3.4 光纤光栅温度传感器固定示意图：正视图（左）、侧视图（右）3.3.3.2 主开关室温度传感器安装（示意）ABC主开关传感器布置正视图缠绕光纤长度大于24cm光纤温度传感器传感器布置侧视图图3.5 传感器布置示意图3.3.3.3 母线室温度传感器安装（示意）ABC母线室传感器布置正视图光纤温度传感器母线室侧视图图3.6. 传感器布置示意图。3.3.3.4 光纤分路器与光纤光栅温度传感器的连接本系统设计所有的传感器均采用COWI-GXT 01型光纤光栅温度传感器，传感器与光缆通过光纤分路器连接（如下图所示）。光纤分路器光纤光栅温度传感器传感器尾纤长度根据传感器位置不同长度不同连接传输光缆图3.7 传感器与光学分路器、传输光缆连接示意图。五、 项目实施我单位负责设备运输、设备安装、通信连接、系统安装、系统调试、集成等工程实施工作。1、硬件设备供货我单位在所供硬件设备，在签定合同后，30日内将设备运送到买方指定地点，并在买方接收所购设备后，36天内完成系统集成及所有设备的安装调试工作；2、实施工期图任务工作日（每格为3个工作日）1项目开始2需求分析3备货4安装 5系统测试6试运行7培训8项目验收9项目完成合计36个工作日3、测试我单位所提供的硬件设备，按正常的程序在工厂内进行过系统测试，保障系统整体运行的可靠性； 4、验收我单位所提供的软件、硬件设备运抵现场安装后，在双方技术人员在场的情况下进行检测，检查硬件设备的型号规格是否相符、设备及其部件是否达到规定的技术指标或性能要求，如不满足要求，我单位在规定的时间内免费负责更换，所造成的损失应由我投标单位负责；我单位完成系统集成和所有设备的安装调试工作后，买方进行试运行，时间为一周。5、定期巡检服务根据“预防为主“的原则，同时保证业主的利益，充分利用和发挥本系统设备的功能优势、特点，使其达到预期的使用寿命，我公司建立了完善的巡查制度，在不影响客户正常使用的前提下，定期/不定期地派专人巡查检修（每年不少于2次），使故障消灭在萌芽状态。使用期内，根据需要，每年至少提供一次免费的设备校正服务。主要巡检内容如下：1）控制系统运行情况,系统稳定性测量，接地线牢固性。2）主要设备部件和外围设备运行情况。3）所有连接接口、线缆、电源等可能容易导致设备