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摘 要：近几年来，电力作为国民经济的大动脉，供电系统的可靠运行成为了电力设备运维部门的首要任务，而发热故障一直是设备运行管理过程中的重点和难点，因此变电站运行设备温度的实时测量是长期未解决的难题。从变电站运行维护的工作实际出发，论述了国内电力系统高压带电设备温度测量的现状和存在的问题，综述了国内当前主要采用的运行设备的温度测量方法，分析了各自存在的优缺点，结合现场实际进行了初步的探讨，并对变电站运行设备测温技术进行了展望。
关键词：运行设备 红外辐射测温 分布式光纤测温 无线测温系统
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0021-02
近几年来，我国经济发展迅猛，电力作为国民经济的大动脉，电网建设已经成为我国现代化建设重要的组成部分。电能的优势在于它的来源广泛、清洁高效、使用方便、便于传输，它已经成为现代化社会重要的能源，在社会生产和人民生活中起着非常重要的作用，而且社会对电能的需求和依赖与日俱增，因此，电力设备运维部门首先要保证电力系统的安全稳定可靠运行。
目前，我国的电力系统的格局是高电压输电和大电网互联，变电站作为电力系统中的重要组成部分，起着承上启下的重要作用。为了实现电能的远距离输送和将电能分配到用户需将发电机电压进行多次电压变换，这个任务由变电站完成[1]。
由于发热故障一直是设备运行管理过程中的重点和难点，据国家电力安全生产监督部门的统计，全国每年发生的多起电力事故多是由热故障引起的[2]。这是因为制造工艺不良、安装工艺不规范和长期运行于恶劣环境下等原因造成设备连接点接触不良，使其接触电阻增大，而且在设备运行时又会出现表面氧化、螺栓松动、绝缘老化等现象致使接触电阻进一步增大，在长时间运行情况下有可能导致火灾或严重的人身、设备事故，造成重大的经济损失及严重的社会影响，因此对变电站运行设备进行温度实时监测是十分必要的。
1 关键技术
目前，对变电站运行设备测温方法有三种：非接触式红外辐射测温技术、光纤测温技术和无线测温技术。在我国，多数变电站都是依靠运行人员用红外测温仪对运行设备易发热部位进行测温，而分布式光纤测温技术和无线测温技术在变电站中应用不广泛。
1.1 非接触式红外辐射测温技术
任何温度在绝对零度以上的物体都会因自身的原子运动而辐射出红外能量，而物体的表面温度与它所辐射出的能量有着直接的关系。被测物体发出的红外辐射信号通过红外探测器转换成电信号后，经信号处理系统进行处理，传至显示器上，从而得物体表面热分布图，因此，红外测温仪接收物体发出的红外能量从而测量出物体的表面温度。上述方法能实现对被测物体进行远距离测温和热成像，因此，红外测温技术开始成为测温领域的主流。红外测温仪的原理图如图1所示。
但是，红外测温的准确度和可靠性受镜头光学变形、拍摄角度、拍摄距离、被测表面形状和环境温度、湿度、气压等因素影响测量温度不准。这种非接触式红外测温技术基本能够满足电气设备在高电压大电流等运行状态下对温度监测的要求[3]。运行设备发热是温度不断变化的过程，而且也与所在环境有很大的关系，当运行人员运用红外测温仪对电气设备接线板、动静触头、线夹等易发热部位进行逐点测温时，不能及时发现热故障点，特别容易误测、漏测；此外，处于障碍物下和密封状态的设备以及设备内部，都不能采用红外测温仪进行准确测量，同时运行人员长期处在高磁场、高辐射环境下，对身体健康影响很大。
1.2 光纤测温技术
1.2.1 分布式光纤测温技术
在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象，有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射。其中拉曼散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯光和反斯托克斯光，外部温度的变化使光纤中的反斯托克斯光强发生变化，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。温度计算公式如下：
（1）
式中，、分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光光强，、分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光频率，为拉曼散射频移波数，仅与光纤材料有关，为普朗克常量，为玻尔兹曼常量，为光速，为绝对温度。
探头和通信信道都采用光纤，拉曼散射的温度效应用于测定温度，光纤的光时域反射技术用于对测量点的定位，而且光纤的绝缘性能好，能够在高磁场、高电压条件下工作。这种分布式光纤测温系统由测温光纤、测温主机、工作站及后台组成，如图2所示。
光纤测温技术是一种实时在线测量温度的技术，特别适合应用于高电压强电磁干扰环境下的变电所、高压线路等，还可以用于变电站其它电信号和非电信号的采集和测量，是目前电力系统通信中正在逐步广泛应用的通信方式[4]。
采用分布式光纤测温系统有很多优势，但是在实际应用中成本高，布线复杂，且当线路老化时拆换困难，因此未能广泛应用。
1.2.2 光纤光栅测温技术
光纤光栅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10 mm长的裸光纤，纤芯吸收紫外线发热产生永久型折射率周期变化。当光束被传播到光纤光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，如公式（2）所示。
（2）
式中，为光栅的布拉格波长，为光栅的有效折射率，为光栅的条纹周期。温度变化时，光栅材料的热胀冷缩，光栅条纹周期也会跟随温度变化，从而导致布拉格波长跟着变化。这样通过检测光栅反射光的波长变化，就可以知道光栅处的温度变化。
光纤光栅测温技术与分布式光纤测温不同的是，它只测沿线若干点的温度而不是测全线的温度。光纤光栅测温系统的工作方式，除以点式测温代替分布式光纤的线式测温外，其他基本相同[5]。 1.3 无线测温技术
随着微电子技术和无线通信技术不断进步，无线测温技术才逐步发展起来。人们对无线资源的重视不断推动着低功耗传感器的快速向前发展。温度传感器的体积微小，但却集信息采集、处理和无线通信等功能于一体，大规模的生产制造更是使得微型节点成本便宜、价格低廉[6]。
1.3.1 无线测温技术组成
无线测温技术的核心设备主要由无线温度传感器（如图3所示）和数据处理单元两部分组成，前者是利用电磁波传递温度信息，将传感器直接安装在高压设备容易发热的部位（如图4所示），因此温度测量准确，不仅解决了电气绝缘问题，而且受气候环境的影响较小；后者则将收到的温度数据进行处理和存储，不但可以显示实时温度，便于运行人员监测，而且可以存储数据，与历史数据进行对比，了解温度变化趋势，还可以设定高温报警阀值，发现温度突然升高马上报警，从而提高了设备运行的可靠性。无线测温系统框图如图5所示。
1.3.2 无线测温技术特点
（1）对于光纤测温技术来说，用于隔离高压的光纤表面可能受到污染，将导致光纤表面放电。这使得用于室外开关设备的测温应用受到限制；而无线测温技术最大的优点在于实现了高压隔离，且无需重新布线，这样不仅可以节省投入成本，还大大减少运维成本。
（2）在高电压、大电流的运行环境中，电磁干扰无法避免，为减少这些干扰对无线温度传感器的影响，其硬件设计上采用金属屏蔽和滤波电路技术，另外为了消除随机干扰，利用被测设备温度变化较为缓慢的特点，适当设定温度测量周期、数据传送密度，从而排除异常数据，保障温度监测的高效性和可靠性。
（3）无线测温系统采用无线组网方式，多个无线温度传感器分布在无线信号接收装置的周围，在有效的通讯范围内可以随意增减甚至移动传感器位置。将后台终端安装于主控室，实时监测各个测温点温度的变化情况，实现足不出户掌握设备的发热状况，进而做出正确的判断。
2 结语
传统的人工检测和有线监测方式都或多或少在这方面或那方面存在缺陷。当然，变电站设备无线监测技术也面临着它自身的困难和问题：电源管理和抗干扰能力。随着微电子低功耗技术和抗干扰技术的进一步发展，无线测温技术相对于传统的变电站测温技术的各种优势将更加凸显，无线测温技术在各个方面的应用会不断得到普及，并有着广阔的发展空间。
参考文献
[1] 叶福军.电力变电站温度智能监测网络研究与实现[J].计算机测量与控制，2009，17（1）：111-113.
[2] 薛鹏.电力系统热故障无线监测技术的应用[J].中国设备工程，2009（11）：20-21.
[3] 张汉军.电力设备红外远程监控系统研究：[D].北京：华北电力大学，2008.
[4] 王立，李华春，薛强，等.220kV电缆分布式光纤测温系统运行情况分析[J].电力设备，2007，8（6）：36-41.
[5] 金振东，许箴，金峰，等.国内高压带电设备测温方式综述及分析[J].电力设备，2007，8（12）：59.
[6] 高庆敏，和欢，石瑞杰.基于ZigBee无线传感网络在变电站监测系统中的应用[J].华北水利水电学院学报，2010，31（1）：53-54.
关键词：运行设备 红外辐射测温 分布式光纤测温 无线测温系统
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0021-02
近几年来，我国经济发展迅猛，电力作为国民经济的大动脉，电网建设已经成为我国现代化建设重要的组成部分。电能的优势在于它的来源广泛、清洁高效、使用方便、便于传输，它已经成为现代化社会重要的能源，在社会生产和人民生活中起着非常重要的作用，而且社会对电能的需求和依赖与日俱增，因此，电力设备运维部门首先要保证电力系统的安全稳定可靠运行。
目前，我国的电力系统的格局是高电压输电和大电网互联，变电站作为电力系统中的重要组成部分，起着承上启下的重要作用。为了实现电能的远距离输送和将电能分配到用户需将发电机电压进行多次电压变换，这个任务由变电站完成[1]。
由于发热故障一直是设备运行管理过程中的重点和难点，据国家电力安全生产监督部门的统计，全国每年发生的多起电力事故多是由热故障引起的[2]。这是因为制造工艺不良、安装工艺不规范和长期运行于恶劣环境下等原因造成设备连接点接触不良，使其接触电阻增大，而且在设备运行时又会出现表面氧化、螺栓松动、绝缘老化等现象致使接触电阻进一步增大，在长时间运行情况下有可能导致火灾或严重的人身、设备事故，造成重大的经济损失及严重的社会影响，因此对变电站运行设备进行温度实时监测是十分必要的。
1 关键技术
目前，对变电站运行设备测温方法有三种：非接触式红外辐射测温技术、光纤测温技术和无线测温技术。在我国，多数变电站都是依靠运行人员用红外测温仪对运行设备易发热部位进行测温，而分布式光纤测温技术和无线测温技术在变电站中应用不广泛。
1.1 非接触式红外辐射测温技术
任何温度在绝对零度以上的物体都会因自身的原子运动而辐射出红外能量，而物体的表面温度与它所辐射出的能量有着直接的关系。被测物体发出的红外辐射信号通过红外探测器转换成电信号后，经信号处理系统进行处理，传至显示器上，从而得物体表面热分布图，因此，红外测温仪接收物体发出的红外能量从而测量出物体的表面温度。上述方法能实现对被测物体进行远距离测温和热成像，因此，红外测温技术开始成为测温领域的主流。红外测温仪的原理图如图1所示。
但是，红外测温的准确度和可靠性受镜头光学变形、拍摄角度、拍摄距离、被测表面形状和环境温度、湿度、气压等因素影响测量温度不准。这种非接触式红外测温技术基本能够满足电气设备在高电压大电流等运行状态下对温度监测的要求[3]。运行设备发热是温度不断变化的过程，而且也与所在环境有很大的关系，当运行人员运用红外测温仪对电气设备接线板、动静触头、线夹等易发热部位进行逐点测温时，不能及时发现热故障点，特别容易误测、漏测；此外，处于障碍物下和密封状态的设备以及设备内部，都不能采用红外测温仪进行准确测量，同时运行人员长期处在高磁场、高辐射环境下，对身体健康影响很大。
1.2 光纤测温技术
1.2.1 分布式光纤测温技术
在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象，有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射。其中拉曼散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯光和反斯托克斯光，外部温度的变化使光纤中的反斯托克斯光强发生变化，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。温度计算公式如下：
（1）
式中，、分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光光强，、分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光频率，为拉曼散射频移波数，仅与光纤材料有关，为普朗克常量，为玻尔兹曼常量，为光速，为绝对温度。
探头和通信信道都采用光纤，拉曼散射的温度效应用于测定温度，光纤的光时域反射技术用于对测量点的定位，而且光纤的绝缘性能好，能够在高磁场、高电压条件下工作。这种分布式光纤测温系统由测温光纤、测温主机、工作站及后台组成，如图2所示。
光纤测温技术是一种实时在线测量温度的技术，特别适合应用于高电压强电磁干扰环境下的变电所、高压线路等，还可以用于变电站其它电信号和非电信号的采集和测量，是目前电力系统通信中正在逐步广泛应用的通信方式[4]。
采用分布式光纤测温系统有很多优势，但是在实际应用中成本高，布线复杂，且当线路老化时拆换困难，因此未能广泛应用。
1.2.2 光纤光栅测温技术
光纤光栅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10 mm长的裸光纤，纤芯吸收紫外线发热产生永久型折射率周期变化。当光束被传播到光纤光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，如公式（2）所示。
（2）
式中，为光栅的布拉格波长，为光栅的有效折射率，为光栅的条纹周期。温度变化时，光栅材料的热胀冷缩，光栅条纹周期也会跟随温度变化，从而导致布拉格波长跟着变化。这样通过检测光栅反射光的波长变化，就可以知道光栅处的温度变化。
光纤光栅测温技术与分布式光纤测温不同的是，它只测沿线若干点的温度而不是测全线的温度。光纤光栅测温系统的工作方式，除以点式测温代替分布式光纤的线式测温外，其他基本相同[5]。 1.3 无线测温技术
随着微电子技术和无线通信技术不断进步，无线测温技术才逐步发展起来。人们对无线资源的重视不断推动着低功耗传感器的快速向前发展。温度传感器的体积微小，但却集信息采集、处理和无线通信等功能于一体，大规模的生产制造更是使得微型节点成本便宜、价格低廉[6]。
1.3.1 无线测温技术组成
无线测温技术的核心设备主要由无线温度传感器（如图3所示）和数据处理单元两部分组成，前者是利用电磁波传递温度信息，将传感器直接安装在高压设备容易发热的部位（如图4所示），因此温度测量准确，不仅解决了电气绝缘问题，而且受气候环境的影响较小；后者则将收到的温度数据进行处理和存储，不但可以显示实时温度，便于运行人员监测，而且可以存储数据，与历史数据进行对比，了解温度变化趋势，还可以设定高温报警阀值，发现温度突然升高马上报警，从而提高了设备运行的可靠性。无线测温系统框图如图5所示。
1.3.2 无线测温技术特点
（1）对于光纤测温技术来说，用于隔离高压的光纤表面可能受到污染，将导致光纤表面放电。这使得用于室外开关设备的测温应用受到限制；而无线测温技术最大的优点在于实现了高压隔离，且无需重新布线，这样不仅可以节省投入成本，还大大减少运维成本。
（2）在高电压、大电流的运行环境中，电磁干扰无法避免，为减少这些干扰对无线温度传感器的影响，其硬件设计上采用金属屏蔽和滤波电路技术，另外为了消除随机干扰，利用被测设备温度变化较为缓慢的特点，适当设定温度测量周期、数据传送密度，从而排除异常数据，保障温度监测的高效性和可靠性。
（3）无线测温系统采用无线组网方式，多个无线温度传感器分布在无线信号接收装置的周围，在有效的通讯范围内可以随意增减甚至移动传感器位置。将后台终端安装于主控室，实时监测各个测温点温度的变化情况，实现足不出户掌握设备的发热状况，进而做出正确的判断。
2 结语
传统的人工检测和有线监测方式都或多或少在这方面或那方面存在缺陷。当然，变电站设备无线监测技术也面临着它自身的困难和问题：电源管理和抗干扰能力。随着微电子低功耗技术和抗干扰技术的进一步发展，无线测温技术相对于传统的变电站测温技术的各种优势将更加凸显，无线测温技术在各个方面的应用会不断得到普及，并有着广阔的发展空间。
参考文献
[1] 叶福军.电力变电站温度智能监测网络研究与实现[J].计算机测量与控制，2009，17（1）：111-113.
[2] 薛鹏.电力系统热故障无线监测技术的应用[J].中国设备工程，2009（11）：20-21.
[3] 张汉军.电力设备红外远程监控系统研究：[D].北京：华北电力大学，2008.
[4] 王立，李华春，薛强，等.220kV电缆分布式光纤测温系统运行情况分析[J].电力设备，2007，8（6）：36-41.
[5] 金振东，许箴，金峰，等.国内高压带电设备测温方式综述及分析[J].电力设备，2007，8（12）：59.
[6] 高庆敏，和欢，石瑞杰.基于ZigBee无线传感网络在变电站监测系统中的应用[J].华北水利水电学院学报，2010，31（1）：53-54.