高晶，劉劍，王鵬，劉漢文，王永兆(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

位于南海文昌海域的B平臺(tái)電力供應(yīng)來(lái)自距離B平臺(tái)40公里的A平臺(tái)，A平臺(tái)和B平臺(tái)之間通過(guò)一套直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行電力輸送。A平臺(tái)上設(shè)置有直流輸電整流站，B平臺(tái)設(shè)置有直流輸電逆變站，整流站和逆變站之間通過(guò)±10 kV的海底電纜進(jìn)行電力傳輸。

位于B平臺(tái)的直流輸電逆變站系統(tǒng)有24個(gè)可插拔式功率單元，其中正極、負(fù)極各一半。系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，經(jīng)常出現(xiàn)單元溫度高停機(jī)情況。逆變功率單元有溫度保護(hù)功能，在散熱器上設(shè)置有兩個(gè)串聯(lián)的溫度開(kāi)關(guān)，只要有一個(gè)溫度開(kāi)關(guān)動(dòng)作就會(huì)觸發(fā)關(guān)停。但是，由于沒(méi)有有效的檢測(cè)手段，維護(hù)人員無(wú)法知道溫度開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)散熱片的實(shí)際溫度，也就很難進(jìn)一步分析導(dǎo)致溫度高關(guān)停的原因。為了保障直流輸電的安全連續(xù)運(yùn)行，決定尋找新的測(cè)溫技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元散熱器的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。

1 溫度監(jiān)測(cè)方法的選擇

直流逆變功率單元后部有電抗器和400 V交流接線母排，前部有高壓直流母排(±10 kV)，這些高壓電導(dǎo)致的強(qiáng)電磁場(chǎng)限制了使用導(dǎo)電電纜方式測(cè)溫的使用。最近的幾年，光纖依靠它耐高壓、帶寬資源豐富、抗電磁干擾、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，受到電網(wǎng)建設(shè)者和設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注[1]。它本體無(wú)導(dǎo)電部分，不會(huì)引起附加溫升，不收電磁場(chǎng)的干擾，且具備防污閃、配置靈活、施工便捷、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用方便等特性，所以決定使用光纖測(cè)溫器對(duì)功率單元進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

光纖測(cè)溫按原理不同分為三種，分布式光纖測(cè)溫、光柵光纖測(cè)溫、熒光光纖測(cè)溫。

分布式光纖測(cè)溫是利用激光在光纖中傳播時(shí)的拉曼散射效應(yīng)對(duì)一段光纖進(jìn)行測(cè)溫[2]，這種方式優(yōu)點(diǎn)在于，單獨(dú)一根光纖即時(shí)測(cè)溫元件，又是數(shù)據(jù)傳輸載體，可以將一根數(shù)km長(zhǎng)的光纖分成數(shù)千個(gè)段進(jìn)行測(cè)溫。但是每個(gè)溫度點(diǎn)位置不精確，僅能精確到1 m內(nèi)。多用于隧道防火，長(zhǎng)距離電纜測(cè)溫。由于B平臺(tái)直流輸電功率元件要求散熱片精準(zhǔn)位置測(cè)溫，所以不適合采用分布式光纖測(cè)溫。

光柵光纖測(cè)溫原理如下：首先光柵會(huì)對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光刺，即反射窄帶光刺與光柵結(jié)構(gòu)相關(guān)，但石英光纖格柵會(huì)受溫度影響發(fā)生熱脹冷縮，反射光頻率會(huì)改變[3]。利用此原理可以精確測(cè)量光柵處溫度，同時(shí)只要光柵的反射光刺不會(huì)重疊，就可以將它們串接到一根光纖上，可以實(shí)現(xiàn)一根光纖測(cè)多個(gè)溫度(最多40個(gè))。而B(niǎo)平臺(tái)直流輸電功率元件是抽出單元式，需要在故障或者其它必要的情況下拆卸，如果使用光纖串接，則不方便單元更換，因此直流輸電不適合采用該測(cè)溫技術(shù)。

熒光光纖測(cè)溫是采用熒光材料受激后熒光壽命與溫度相關(guān)的原理進(jìn)行測(cè)溫[4]，其傳感器體積小，一個(gè)光纖一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，方便抽出式的安裝，傳送光纖絕緣，相對(duì)其它兩種成本較低，非常適用于電力行業(yè)使用。熒光光纖測(cè)溫的特點(diǎn)比較適合直流輸電功率單元的使用。

基于三種光纖測(cè)溫原理及使用特點(diǎn)的分析，最終選用熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)B平臺(tái)的直流輸電逆變功率模塊進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

2 光纖測(cè)溫技術(shù)的實(shí)施

2.1 溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接入位置選擇

光纖測(cè)溫系統(tǒng)安裝后的相關(guān)功率單元散熱器的溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要接入人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)顯示，信號(hào)接入有三個(gè)方法選擇。首先，可以增設(shè)專用的電腦，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接入專用電腦進(jìn)行監(jiān)控。但是這種方法需要額外購(gòu)置電腦，為電腦提供新的位置存放，平臺(tái)空間有限，同時(shí)出于降本增效的考慮，不考慮這種方法。其次，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以接入直流輸電系統(tǒng)的本體的監(jiān)控系統(tǒng)，但是這個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)是用VC編寫(xiě)的，為專用程序，需要直流輸電公司專業(yè)工程師修改調(diào)試程序才能實(shí)現(xiàn)。由于廠家工程師人員協(xié)調(diào)較為困難，且人員勞務(wù)費(fèi)用較高，因此不考慮這種接入方法。最后，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以接入位于B平臺(tái)中央控制室(以下簡(jiǎn)稱“中控室”)的監(jiān)控觸摸屏，觸摸屏的組態(tài)較為簡(jiǎn)單，修改也很方便，只需要在原有系統(tǒng)上進(jìn)行升級(jí)即可。經(jīng)過(guò)綜合考慮，最終確定溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接入位于B平臺(tái)中央控制室的監(jiān)控觸摸屏。

2.2 設(shè)備選擇

經(jīng)過(guò)篩選，選擇HQ-28熒光光纖測(cè)溫模塊和LumaProbe SP熒光光纖溫度傳感探針作為該套光纖測(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)原件?？紤]到模塊所需的電源線以及模塊信號(hào)傳送至中控系統(tǒng)所需要的通信電纜，該套測(cè)溫系統(tǒng)所需要的相關(guān)原件及材料如表1所示。

表1 相關(guān)原件及材料

2.3 系統(tǒng)構(gòu)架

24根光纖將24個(gè)功率單元的散熱器溫度傳送至測(cè)溫模塊，每個(gè)測(cè)溫模塊有8個(gè)測(cè)溫回路，使用其中6個(gè)，另外作為備用。測(cè)溫模塊將溫度通過(guò)485通訊線將溫度信號(hào)傳送至位于中控室的觸摸屏。觸摸屏的軟件負(fù)責(zé)顯示24個(gè)功率單元的實(shí)時(shí)溫度并進(jìn)行記錄，同時(shí)根據(jù)溫度上漲情況，根據(jù)溫度上漲情況反饋至直流輸電空調(diào)的PLC模塊，實(shí)現(xiàn)功率單元箱內(nèi)部的溫度控制反饋。具體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 測(cè)溫裝置構(gòu)架圖

2.4 人機(jī)界面組態(tài)

中控室觸摸屏的人機(jī)界面主要負(fù)責(zé)顯示24個(gè)功率單元散熱器實(shí)時(shí)溫度，每個(gè)溫度模塊顯示6個(gè)功率單元的溫度，如圖2所示。由于系統(tǒng)具備對(duì)溫度進(jìn)行記錄的功能，人機(jī)界面還包括歷史溫度查詢頁(yè)面，可以隨時(shí)查詢存檔的歷史數(shù)值如圖3所示。

圖2 6個(gè)功率單元的溫度

圖3 存檔的歷史數(shù)值

2.5 光纖測(cè)溫技術(shù)拓展

光線測(cè)溫技術(shù)在直流輸電系統(tǒng)中現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控的功能之外，還以進(jìn)一步發(fā)掘光纖溫度監(jiān)測(cè)所記錄的數(shù)據(jù)價(jià)值。通過(guò)這些數(shù)據(jù)的分析，可以總結(jié)溫度與負(fù)荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修，提前預(yù)警，防患未然，避免潛在安全隱患和事故的作用。通過(guò)所有功率單元之間溫度的比對(duì)，可以進(jìn)一步分析找到通風(fēng)不良的部位，再通過(guò)通風(fēng)風(fēng)道的改善，改善系統(tǒng)散熱能力，徹底解決溫度高關(guān)停問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

光纖測(cè)溫技術(shù)在文昌海域B平臺(tái)直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，讓平臺(tái)人員實(shí)現(xiàn)了中控室對(duì)直流輸電系統(tǒng)功率單元的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，及時(shí)預(yù)知潛在的散熱器故障，并預(yù)判直流輸電系統(tǒng)潛在的空調(diào)控制故障，極大的提高了設(shè)備穩(wěn)定性。為海洋石油及其他相關(guān)電力行業(yè)溫度監(jiān)控問(wèn)題提供了較好的解決方案和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。