光纤光栅电气火灾预警技术

电气光纤光栅测温火灾预'0引言随着国家电气化程度的不断提高，近些年来，由电气引发的火灾一直高居榜首，年均超过30%，是火灾的第一大直接原因。其中，高压电气火灾不仅占有相当大的比重，且危害和损失相对较大，常常会造成大面积停电和长时间停产。（2008年全国引发火灾的直接原因见表1）[1]图表1引发火灾的宜接原因口电气火灾30.122用火不慎23口玩火7.1口吸烟7.3■作业不慎5.5□II燃2.2■击、静电等15.7口原囚不明9.1从技术角度讲，引起电气火灾的直接原因为短路、超负荷和接触不良，表现为温度积累起火和瞬间高温起火。因此，监控电气瞬间高温起火能够及时发现火灾，有利于及时扑灭火灾和控制危害；监控电气温度变化，能够及时发出火灾预警，有利于火灾预防。为防范电气火灾，国家先后颁布实施了GB14287-1993《防火漏电电流动作报警器》、GB50045-94（2005版）《高层民用建筑设计防火规范》、GB50016-2006《建筑设计防火规范》、GB14287-2005《电气火灾监控系统》等，均对预防电气火灾提出了要求标准。“高规”、“建规”虽然都没有要求安装电气温度探测系统，然而，建筑物内的变压器柜、电容补偿柜、整流柜等部位，电缆接头、开关触点等位置，都可能因产生高温而导致火灾。变压器冷却系统发生故障或严重过载，补偿系统过补偿或自动调节器失灵、电容器老化，都十分常见，接头、触点日久接触不良则更为普遍，电气故障因此而成为引起火灾的第一大直接原因。[2]为此，国家制定了GB14287-2005包含“测温式电气火灾监控探测器”的规范，提倡在新建工程中安装测温式电气火灾监控探测器。高压电气电压高、电流大，更容易产生温度积累起火和瞬间高温起火，火灾的危险性较大，与此同时，高压电气火灾往往危害后果严重、所造成的经济损失大。因此，应当作为电气火灾监控重点。传统上，监测高压电气温度一般采用人工方法，随着电力设备的智能化、数字化、网络化发展，使得许多企业的变电、配送电设施已经实现无人值守，火灾事故的征兆-故障点温度变化的自动化监测却基本处于空白状态。红外测温仪、感温电缆、传统的点式测温系统由于受制于高压绝缘等问题，无法实现在线方式，更不可能进行实时监测，使得高压开关柜等电气设备处于完全无监控的状态下运行，其它监控设备只能在断路、短路故障，甚至起火事故发生后，才能发出报警。因此，实时在线监测，是预防高压电气火灾的重点方法。1传统监测高压电气温度的方法1.1根据石蜡融化的情况来判断高压电器和线路温度的方法根据石蜡对温度变化比较明显的特点，操作人员使用前端装有石蜡的绝缘长杆接触高压电器和线路监测点，依据石蜡融化的情况凭经验判定监测点的温度是否异常，是传统上监测高压电器和线路温度的常用方法。随后，在国内出现了变色示温的试温蜡片，实现对电气的过热监测。它采用了温度敏感变色测温技术，能够贴到被测设备上，随设备温度的变化而改变颜色或显示温度数字，并由此可掌握设备的温度变化。变色示温片初始颜色为白色，当温度超过变色温度时，由白色变成黑色，并同时显示醒目的数字，告之人们被贴点温度已超过少度。超过温度后颜色不可逆（也就是不复原），具有保持功能，一旦超温便记录，便于及时查找故障点。试温蜡片的主要特点：（1）特别适合于普通温度计无法或难以测量的部件、外表面以及危及生命的环境中的物体。如晶体管、集成电路、导电母线、开关触点、接头、变压器等的温度测量。（2）便于巡视检查，温度发生变化，就引起颜色变化，人们即可采取措施，避免事故发生，防患于未然。（3）产品轻巧，便于携带，安装简便。（4）较经济，在测量相同数目的测温点时，比其它测温工具节省费用。（5）使用寿命1-2年，已超温变色的贴片应及时更换。主要缺陷：属于一次性产品，必须通过人工监测发现温度异常，无法联网和实现在线实时监测。1.2利用红外测温仪或红外热成像仪进行测温的方法红外测温仪器主要有3种类型：红外热像仪、红外热电视、红外测温仪（点温仪）。红外测温仪的工作原理：红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。红外测温仪的特点：（1）只能测量表面温度，不能测量内部温度。（2）波长在5um以上时，不能透过石英玻璃进行测温，不适合用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。（3）定位热点要准确。（4）蒸汽、尘土、烟雾等会阻挡仪器的光学系统而影响精确测温。主要缺陷：实际操作环境要求过高，并且可靠性低，不能或难于成网。采用以上方法，只能人工逐点定时检查，发现电气温度异常具有相当大的偶然性，对于全封闭开关柜内如断路器、刀闸联接点和触头测温无法随时监测，更无法实现在线实时温度监测。2光纤光栅测温系统的技术原理与工作特点2.1光纤光栅系统的技术原理1基本原理光纤光栅是利用光纤材料的光折变效应，用紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入，形成折射率周期变化的光栅结构。这种光栅称为布喇格（Bragg）光纤光栅°Bragg光纤光栅入射光满足一定相位匹配条件时，波长的相对变化量可以写成：△入/入B=（a+£）△T+（1-Pe）£。应变£可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振动、速度、加速度、流量等等）的函数，所以应用光纤光栅可以制造出不同用途的传感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化。用光纤光栅制作成温度传感器与被监测的高压电气监测点相连，通过测量光栅波长的变化就可以计算出监测点温度的变化。[4]2系统结构高压电器和线路温度的方法光纤光栅技术在高压电气火灾预防中的应用光纤光栅的基本结构如图1所示。网络分析仪图1光纤光栅测温系统的结构温度传感器：温度传感器可以制作成插拔式和固定式，以适用不同现场情况，安装方便。由于光纤光栅体积小，针对不同的应用场合，可以做相应的封装，方便现场安装。上图显示两种不同的封装样式，一种可以由螺丝固定，用于接线端子，开关刀闸等。另一种针式封装，可以插入缝隙内（如配电柜和变压器）。图2固定式传感器光纤光栅温度监测仪：光纤光栅传感网络分析仪具有接受传感器的信号、解码、光电转换、存储、传输和显示数据的功能。分析仪内部光源可发出连续的宽带光，在同一条光纤上，可以串联多个中心波长不同的传感器，因此简化了传感器及引出线的布设，避免了以往逐点测量的不便。将被反射："B=2nefA式中入B为光栅中心波长，A为光栅周期，neff为光纤材料的有效折射率。〃曲A是温度T和轴向应变£的函数。因此，布喇格

2.2光纤光栅电气温度监测系统的特点1光纤光栅测温系统不受外界电磁干扰，不受电源和光源起伏的影响，不受器件老化等影响，并且防爆、防腐蚀。图3光纤光栅温度监测仪监控计算机：监控计算机提供网络接口，以实现集中监控。2.2.2应用了特殊的微电子机械解调设备，提高了测量的可靠性和稳定性。2.2.3光纤光栅传感器使用专用光纤绝缘子，保证了222图，2.4采用特殊材料封装的标准光纤光栅，保证了检2.5光纤光栅测温探器安装和维修方便。[5]3光纤光栅测温系统的主要技术指标3.1温度测量范围0°C至120°C。2.3.2温度显示分辨能力0.1C，温度测量精度土5C。3.4无机械动作部件，寿命长，可连续不间断工作。2.3.5温度显示图形数据可进行手动和自动存储。光纤绝缘子：光纤绝缘子由硅橡胶材料制成，它的主要作用是防止光纤与高压设备接触后产生爬电现象。经过测试，可以在110kv下，使光缆不产生爬电现象。2.3.6方便安装和维护，可以大大缩短安装测温系统所需要的停电时间。2.3.7检测系统可以通过接口，将各站点的信息通过现有远程监控系统传输到电力公司的集控主机上，能够完全实现网络化在线实时监测。[6]图5光纤绝缘子图5光纤绝缘子4光纤光栅测温系统的主要技术优势4.1安全性高。光纤本身不导电、耐高温，本质安。光纤光栅测温系统安装后，可以在线监测配网电设备运行情况，及时发现因接头接触不良，引起过，导致运行设备接地短路事故和火灾隐患。4.2效益明显。其应用为配电运行安全提供了有效技术手段，节省人力、物力和避免停电停产、预防灾事故。4.3兼容性强。可以与目前广泛应用的远程监控系统兼容。二二2.4.4智能化程度。高适应现代化电力大容量，高电压，交直流通用，高精度，网络化，数字化的发展需求，方便自动化生产管理。2.4.5技术成熟。“电力设备光纤光栅温度监测系统”图6安装在高压电气上的光纤光栅传感器已通过了天津电力局的高压爬电鉴定，电磁兼容鉴传输光纤线路：光纤光栅传感器通过光纤传输信息，传输距离可达几十公里。因此，解调设备可以远离监测地点，实现远程监测。定，以及计量局测量标准鉴定，并已于2005-12-17通过由天津市科委主持的成果鉴定。鉴定结论：达到国际先进水平。光纤光栅测温系统的典型案例有：北辰变电站温度35KV开关柜触点、母线光纤光栅测温系统；天津市电力公司城东供电分公司环网柜光纤光栅测温系统；天津市上辛口35kv变电站光纤光栅测温系统等。2005年3月6日至今所装备的设备运行状况良好，并且保持零故障。[7]3光纤光栅测温火灾预警技术的应用现代工业中，工作温度的升降反映了设备运行状态和许多物理特征的变化，工业设备运行异常或故障通常表现出温度的异常变化。因此工业设备运行温度监测是设备安全监控最为有效、最为经济的手段，对设备的安全运行具有重大意义。随着光纤传感器技术的发展和应用，基于光纤布拉格（FBG）原理的准分布式光纤光栅测温系统是目前世界上最先进、最有效的温度在线监测系统，可以应用在电力系统、石油化工、交通运输等领域的火灾预警，实现电力设备运行温度实时在线监测。3.1使用光纤光栅测温系统监测高压电气温度的意义3.1.1通过监测温度变化监控高压变送电设备运行状况。电力系统的一次电气设备一般由断路器、变压器、电缆、母线、开关柜等电气设备组成。其相互之间由母线、引线、电缆等连接，由于电流流过产生热量，所以几乎所有的电气故障都会导致故障点温度的变化。例如在发电厂中电缆接头、电缆中间连接处、高压电缆的局部放电、高压开关柜的动静触头及其他连接处、低压电气连接处等位置过热是大型事故的征兆,也是电厂事故多发的重灾区。3.1.2实现在线监测，可以实时发现电气故障和发出火灾灾前预警。随着光纤测温技术的发展，光纤测温系统被多家电厂和供电公司使用，光纤在电力测温系统逐渐为人们所认可，尤其是其良好的绝缘耐压性能和稳定的工作特点的优势明显，但其不适合定点测温和测温周期长的问题也凸现出来。光纤光栅测温系统，不仅保持了原有光纤测温的优点，而且实现了定位测温，缩小了测温周期，并吸取光纤测温串联方式的系统稳定性低的教训，改用星型拓扑结构布置测温点，从而避免了光纤在开关柜内部的迂回布线，解决了防污闪问题，由于光纤光栅温度传感器采用全光纤感温和信号传输，不存在电磁干扰和定期维护问题，可以长期免维护可靠运行，完全符合变电站无人值守的需求。光纤光栅感温故障监控系统电力系统通过对一次运行设备的实时在线监测，并对设备实时数据的进行分析和预测，掌握设备运行状况，及时发现隐患和故障，防止事故的发生，起到防患于未然作用，并在提高检修效率，大大降低检修成本和管理成本方面起到关键作用。[8]3.2光纤光栅测温系统监测高压电气的应用范围3.2.1变压、配电、开关设备在线实时温度检测。断路器、变压器、电缆、母线、开关柜等电气设备以及相互之间由母线、引线、电缆的温度在线监控，实现灾前报警。3.2.2电力电缆的在线实时温度检测。实时监测电缆温度，可以提前发出故障预警，以便及时采用有效措施防止火灾发生。3.2.3运行状态监测。有效监测电缆在不同负载和不同环境温度下的发热状态，积累历史技术数据。3.2.4载流量限度分析。可以保证在不超过电缆允许运行温度，保证消防安全的情况下，最大限度的发挥电缆的传输能力、提高输配电设备利用率的。3.2.5老化监测。及时发现电缆局部过热点，通过采取降温措施，延缓电缆老化速度，预防火灾。3.2.6实时故障监测预警。发现电缆运行过程中外界因素导致的破坏。3.2.7电缆沟内火情监测与报警3.2.8电缆接头、电缆终端的温度监测与报警3.3光纤光栅测温系统火灾预警技术的推广优势3.3.1绝缘耐压。高压和超高压系统中使用的设备，首先要满足绝缘耐压的要求，即不能降低原有设备的电压等级和安全特性，基于光纤光栅原理的光纤光栅在线测温系统在监测现场为全光测量，传感器引出光纤在30cm爬电距离内可耐受超过110kV工频电压，完全满足高压开关柜内的绝缘耐压要求，并通过了国家电线电缆质量监督检验中心的工频耐压检测。电缆接头、电缆终端的温度监测与报警3.3.2防污闪。在高压开关柜有限的空间内，如何保证光纤留有足够的爬电距离是该系统能否保证原有系统安全的一大关键。光纤光栅温度传感器采用耐污性能优良的硅橡胶外套光纤进行信号传输，从而保证了系统的安全性。3.3.3定位准确。传统的光纤测温方式定位精度低，而且为了定位需要将5米光纤盘成一个盘来安装，不仅安装复杂，而且测量周期很长，还有很多隐患。而光纤光栅测温系统由于采用了光纤光栅做测温敏感元件，所以可以通过光纤光栅温度传感器来准确定位，对过热相或温升异常相进行报警，可以通过温度的监测间接判断小电流接地端，作为小电流接地监测的补充。3.3.4实时在线监测。传统光纤测温方式，如测温点在40点到100点之间，则测温周期在几分钟到半小时之间。采用新型的光纤光栅测温系统，全部测点测温周期小于50毫秒，充分的保证报警的及时性，同时由于测温周期短，可以在报警系统中引入温升趋势报警，提高了报警的可靠性和前瞻性，提高电力设备运行的安全性。3.3.5运行稳定。传统的测温方式由于包含的环节多，自身故障率高。光纤光栅测温系统的整体结构简单，只有光纤光栅温度传感器和分析仪两大主要部分组成，因无中间环节，自身故障率低，测量现场为全光测量，完全不受强电场和强磁场的干扰，保障了系统的稳定运行。3.3.6安全可靠。光纤光栅测温系统与传统测温方式相比，不会产生误报、漏报。这是由于光纤光栅只对温度敏感，因此无论是其他条件发生何种变化，都不会对光纤光栅测量的准确性发生影响，光纤光栅的加工方式采用物理加工的方式，因此，一旦产品完成后，除人为破坏不会产生零点漂移，所以光纤光栅测温系统不需要向传统的测温系统那样进行定期零点标定，使用非常方便。4结束语高居榜首的电气火灾是火灾预防的首要敌人，高压电气火灾则为火灾预防的重中之重，火灾预警则是高压电气火灾预防的最后一道防线，光纤光栅测温系统的特点，使之成为当前高压电气火灾预警的最佳方案。