Sensores de temperatura de fibra óptica INNO ,sistemas de monitoramento de temperatura.
1、 Componentes do sistema inteligente de monitoramento de subestações
O sistema inteligente de monitoramento de subestações é um importante meio técnico para garantir a operação segura e estável das subestações, cobrindo vários conteúdos e componentes de monitoramento.
（1） Monitoramento do status de operação do equipamento
Monitoramento de parâmetros de equipamentos elétricos
Monitoramento em tempo real dos parâmetros operacionais dos diversos equipamentos elétricos da subestação, como tensão, atual, poder, etc.. de transformadores. Instalando sensores no dispositivo para obter esses parâmetros, o sistema pode alertar imediatamente se os parâmetros excederem a faixa normal. Por exemplo, sobrecarga de corrente pode causar superaquecimento do equipamento ou até mesmo danificá-lo. Ao monitorar com precisão a corrente, problemas potenciais podem ser detectados com antecedência. This helps power workers to adjust the operation status of equipment in a timely manner, avoid faults, and improve the reliability of power supply in substations.
For devices such as circuit breakers and isolating switches, their opening and closing status can also be monitored. Intelligent analysis of the status of its opening and closing signs ensures the correctness of device operation and prevents safety risks caused by misoperation. This is particularly important in the daily switching operations of substations, which can effectively ensure the stable operation of the power system and the safety of operators.
Monitoramento de temperatura do equipamento
The equipment in the substation generates heat during operation, especially large equipment like transformers. A temperatura excessiva pode afetar o desempenho e a vida útil do equipamento, e até causar mau funcionamento. Portanto, monitorar a temperatura do dispositivo é um componente importante dos sistemas de monitoramento inteligentes. Além do monitoramento da temperatura do transformador (que será descrito em detalhes mais adiante), também inclui monitoramento de temperatura de equipamentos e barramentos dentro do quadro. Por exemplo, o monitoramento em tempo real da superfície ou da temperatura interna do equipamento pode ser obtido por meio de tecnologia de imagem térmica infravermelha ou sensores de temperatura de fibra óptica para detectar prontamente anomalias de temperatura, como superaquecimento local.
Monitoramento do desempenho de isolamento de equipamentos
O desempenho do isolamento dos equipamentos elétricos está diretamente relacionado à operação segura do equipamento. O sistema de monitoramento inteligente pode avaliar o status de isolamento do equipamento monitorando parâmetros como resistência de isolamento e descarga parcial. Por exemplo, a descarga parcial é um indicador importante da degradação do isolamento, e instalando sensores de descarga parcial, sinais de descarga parcial dentro do equipamento podem ser capturados. Com base nas características da intensidade do sinal, freqüência, etc., determinar o estado de saúde do isolamento. Se o desempenho do isolamento diminuir, isso pode levar a falhas graves, como curto-circuito do equipamento e aterramento. Monitorar antecipadamente o problema de isolamento e tomar medidas, como substituir componentes de isolamento, pode efetivamente prolongar a vida útil do equipamento e reduzir os custos de manutenção.
（2） Monitoramento ambiental
Monitoramento de temperatura e umidade
A temperatura e a umidade no interior da subestação têm certo impacto no funcionamento do equipamento. A umidade excessiva pode fazer com que o equipamento fique úmido, levando à diminuição do desempenho do isolamento, corrosão, e outras questões; A temperatura excessiva ou insuficiente também pode afetar o desempenho e a vida útil do equipamento. Instalando sensores de temperatura e umidade na subestação, dados de temperatura e umidade do ambiente em tempo real podem ser obtidos. Por exemplo, em algumas áreas úmidas do sul, o monitoramento da umidade é particularmente importante. Quando a umidade exceder o limite definido, o sistema pode ativar equipamentos de desumidificação, como desumidificadores, para manter o ambiente seco e proteger o equipamento dos perigos da umidade.
Monitoramento de imersão em água
Flooding may be caused by factors such as rainfall or water pipe leaks. If there is flooding in the substation, it may cause serious damage to electrical equipment. Water immersion monitoring sensors are usually installed in low-lying areas of substations, valas de cabos, and other places that are prone to water accumulation. Once water immersion is detected, the system will immediately sound an alarm so that staff can take timely drainage measures to prevent equipment from being damaged by water immersion.
Smoke detection monitoring
Smoke detection monitoring is to prevent the occurrence of fires. There are a large number of electrical equipment in the substation, and if faults such as short circuits and overloads occur, they may cause fires. Smoke detectors can detect smoke in a timely manner. Once smoke is detected, o sistema acionará um sinal de alarme e também poderá ser vinculado ao sistema de extinção de incêndio, como ativar extintores de incêndio, aspersores de água contra incêndio, etc.. (se equipado), para minimizar os danos de incêndios em subestações.
（3） Vigilância por vídeo e análise inteligente
Função de vigilância por vídeo
Existem várias câmeras instaladas na subestação, que pode fornecer monitoramento de vídeo abrangente de várias áreas da subestação. Essas câmeras têm múltiplas funções, como a capacidade de capturar imagens nítidas durante o dia e a noite, e algumas câmeras também possuem função de luz de preenchimento infravermelha, que pode funcionar normalmente mesmo à noite ou em ambientes com pouca luz. A vigilância por vídeo pode visualizar em tempo real o status de aparência dos equipamentos e atividades de pessoal na subestação. Por exemplo, staff can use video surveillance to check for any abnormalities in the appearance of transformers, such as oil leakage, fumaça, or unauthorized personnel entering hazardous areas of substations.
Intelligent analysis function
In addition to basic video surveillance functions, the intelligent monitoring system also has intelligent analysis capabilities. Por exemplo, facial recognition of personnel in the video allows only authorized personnel to enter specific areas of the substation, which helps improve the security of the substation. Ao mesmo tempo, intelligent analysis of the operating status of the equipment can also be carried out, such as analyzing the color changes of the equipment appearance (which may indicate abnormal temperature), the displacement of equipment components (which may indicate looseness or malfunction), etc., para auxiliar na determinação do status operacional do equipamento. Esta função de análise inteligente pode reduzir a carga de trabalho da inspeção manual e melhorar a eficiência e a precisão do monitoramento.
（4） Rede de Comunicação e Processamento de Dados
Rede de Comunicação
Os diversos dispositivos de monitoramento do sistema de monitoramento inteligente da subestação precisam transmitir os dados coletados para a central de monitoramento por meio de uma rede de comunicação. A rede de comunicação pode adotar uma combinação de comunicação com fio (como comunicação por fibra óptica) e comunicação sem fio (como ZigBee, Wi-fi, 4G/5G, etc.). A comunicação de fibra óptica tem as vantagens de velocidade de transmissão rápida e forte capacidade anti-interferência, tornando-o adequado para transmitir grandes quantidades de dados de monitoramento em tempo real, such as equipment operating parameters, video images, etc.; Wireless communication, por outro lado, has the characteristics of high flexibility and easy deployment, and is suitable for networking some sensor nodes, such as temperature and humidity sensors, water immersion sensors, etc.. Through a reliable communication network, ensure that monitoring data can be accurately and timely transmitted to the monitoring center for subsequent analysis and processing.
processamento de dados
At the monitoring center, a large amount of monitoring data received needs to be processed. Data processing includes operations such as storage, análise, and mining of data. Data storage can use a database system to store different types of monitoring data according to certain rules for subsequent queries and analysis. Data analysis can use various algorithms, such as data filtering, análise de tendências, etc., to extract useful information from massive data. Por exemplo, by analyzing the long-term trend of transformer temperature data, the health status of the transformer can be predicted, and maintenance and repair work can be arranged in advance. Data mining techniques can also discover the correlation between different monitoring data, such as the relationship between temperature and equipment operating power, providing a basis for optimizing the operation of substations.
2、 Principle of Transformer Temperature Fluorescence Fiber Optic Monitoring
Transformer temperature fluorescence fiber monitoring is an advanced temperature monitoring technology based on fluorescence characteristics.
（1） The characteristics of fluorescent substances and the relationship between fluorescence afterglow and temperature
Fluorescent optical fibers contain specific fluorescent substances that emit fluorescent signals when exposed to excitation light. Its important characteristic is the specific relationship between fluorescence afterglow (ou seja. the time of fluorescence decay) e temperatura. At lower temperatures, the fluorescence afterglow is longer; À medida que a temperatura aumenta, the molecular motion of fluorescent substances intensifies, energy transfer and conversion accelerate, resulting in a shortened fluorescence afterglow. Por exemplo, some rare earth doped fluorescent materials experience a gradual decrease in fluorescence afterglow from a few milliseconds to several hundred microseconds as the temperature increases from 20 °C a 100 ° C. The quantifiable relationship between fluorescence afterglow and temperature is the basis for fluorescence fiber optic temperature monitoring.
（2） The role of optical fiber in temperature monitoring
Transmissão de sinal óptico
Fiber optic cables play an important role in transmitting optical signals in this monitoring system. Fiber optics have excellent optical performance, which can efficiently transmit excitation light to the location of fluorescent substances, and also transmit the fluorescence signal emitted by fluorescent substances to detection equipment. The transmission loss of optical fiber is low, and even over long distances (such as inside large transformers, where optical fiber may need to transmit signals from the winding to external detection equipment), it can ensure effective signal transmission. Por exemplo, in some large substations, optical fibers can extend from the depths of the windings to the monitoring host outside the transformer, com uma distância de transmissão de até dezenas de metros, e a atenuação do sinal é relativamente pequena.
Isolamento elétrico e anti-interferência
Existe um forte campo eletromagnético dentro do transformador, e as fibras ópticas são feitas de materiais isolantes, como vidro ou plástico, que têm excelente desempenho de isolamento elétrico. Isso permite que as fibras ópticas operem normalmente em ambientes eletromagnéticos agressivos dentro dos transformadores sem serem afetadas por interferência eletromagnética.. Comparado com métodos tradicionais de transmissão de sinal elétrico, como o uso de termopares ou termômetros de resistência, as fibras ópticas não são afetadas pela interferência de ruído causada pela indução eletromagnética, proporcionando assim medições de temperatura mais precisas. Por exemplo, nas proximidades dos enrolamentos do transformador, a intensidade do campo eletromagnético pode atingir milhares de Gauss, e sensores elétricos tradicionais podem produzir erros de medição significativos, enquanto fluorescente sensores de fibra óptica podem medir com precisão a temperatura.
（3） Princípio geral de monitoramento
Conversão de sinais de temperatura e fluorescência
No sistema de monitoramento de fibra fluorescente de temperatura do transformador, sensores de fibra fluorescente estão dispostos em partes principais do transformador, como enrolamentos. Quando uma fonte de luz externa excita a substância fluorescente na fibra fluorescente, a substância fluorescente emite um sinal fluorescente, e o sistema de detecção mede o tempo de brilho do sinal fluorescente. Com base na curva de relação pré-calibrada entre o tempo de pós-luminescência da fluorescência e a temperatura (que foi obtido através de extensos experimentos e trabalho de calibração, como medir com precisão o tempo de brilho residual de substâncias fluorescentes em diferentes temperaturas e estabelecer modelos matemáticos), converter o tempo de brilho residual de fluorescência medido em valores de temperatura correspondentes. Isto consegue a conversão do sinal de fluorescência em temperatura, permitindo o monitoramento em tempo real das mudanças de temperatura nos transformadores.
Composição do sistema e trabalho colaborativo
Todo o sistema de monitoramento consiste principalmente em uma fonte de luz, sensores fluorescentes de fibra óptica, sistema de detecção, e sistema de processamento de dados. A fonte de luz fornece luz de excitação, e o sensor de fibra fluorescente detecta a temperatura e gera sinais de fluorescência correspondentes. O sistema de detecção mede os parâmetros relevantes do sinal de fluorescência (como o tempo de brilho), e o sistema de processamento de dados processa, análises, e armazena os dados detectados. Por exemplo, o sistema de processamento de dados pode exibir os dados de temperatura coletados em tempo real, determinar o limite do alarme (se a temperatura exceder o limite de segurança definido, o sistema emitirá um alarme), e realizar análises de tendências de longo prazo nos dados de temperatura para avaliar o estado de saúde do transformador.
3、 Etapas para monitoramento da temperatura do transformador de fibra óptica fluorescente
（1） Layout do sensor
Determine o local de monitoramento
Antes de realizar o monitoramento de fibra óptica de fluorescência da temperatura do transformador, o primeiro passo é determinar a localização dos sensores. A distribuição de temperatura das diferentes partes dentro do transformador é desigual, por exemplo, a temperatura do ponto quente do enrolamento costuma ser a preocupação mais importante. Hotspot refers to the area where heat is accumulated in certain local positions of the winding during the operation of a transformer due to the heat generated by the current passing through the winding, resulting in a relatively high temperature. According to the structure and thermal characteristics of transformers, fluorescent fiber optic sensors are usually arranged at key parts of the winding, such as the upper or lower layer near the winding, as well as the middle part of the winding. Além disso, sensors may need to be installed at locations such as the iron core and oil passages to comprehensively monitor the temperature inside the transformer. This requires a deep understanding of the heat transfer mechanisms such as conduction, convecção, and radiation in transformers to ensure that sensors can accurately monitor temperature changes inside the transformer.
Por exemplo, para transformadores imersos em óleo, the flow of oil has a certain impact on temperature distribution. In areas with slower oil flow rates, heat may accumulate more easily, so placing sensors in these areas can better monitor potential temperature anomalies. Ao mesmo tempo, the installation method of the sensor also needs to be considered to ensure that the sensor is in close contact with the internal components of the transformer, so as to accurately sense temperature changes. For windings, sensors can be installed by winding or embedding, while for the surface of the iron core, sensors can be installed by pasting or fixing fixtures.
Instalação do sensor
After determining the placement of the sensor, proceed with the installation of the sensor. For fluorescent fiber optic sensors, the installation process needs to follow strict operating procedures. Primeiramente, it is necessary to ensure that the fiber optic part of the sensor is not damaged, as the integrity of the fiber optic is crucial for the transmission of optical signals. Durante o processo de instalação, special tools and equipment may be required, such as fiber fusion splicers (if fiber segments need to be connected). For sensors embedded in windings, it is important to avoid affecting the insulation performance of the windings. Por exemplo, the insulation paper or insulation paint layer of the winding cannot be damaged during installation. Ao mesmo tempo, the sensor should be fixed after installation to prevent displacement or damage to the sensor due to vibration or other reasons during the operation of the transformer. Para o caso de conexão de fibras ópticas internas e externas através de flanges, é necessário garantir uma boa vedação dos flanges para evitar vazamento de óleo na conexão de fibra óptica e afetar a transmissão dos sinais ópticos.
（2） Excitação e aquisição de sinal
Seleção e configuração da fonte de luz de excitação
A escolha da fonte de luz de excitação apropriada é uma etapa importante no monitoramento de fibras fluorescentes. O comprimento de onda da fonte de luz de excitação precisa corresponder ao comprimento de onda de excitação da substância fluorescente na fibra fluorescente. De um modo geral, fontes de luz de excitação comumente usadas incluem diodos laser, etc.. Por exemplo, para algumas fibras fluorescentes dopadas com terras raras, o comprimento de onda de excitação pode estar entre 400-500 nm, e um diodo laser do comprimento de onda correspondente precisa ser selecionado como fonte de luz de excitação. Ao configurar a fonte de luz de excitação, fatores como a potência e a estabilidade da fonte de luz devem ser considerados. A potência da fonte de luz não deve ser muito alta para evitar causar danos leves à substância fluorescente, afetando sua vida útil e características de fluorescência; Enquanto isso, a estabilidade da fonte de luz deve ser boa para garantir a reprodutibilidade do sinal de fluorescência gerado por cada excitação. Por exemplo, se a flutuação de energia da fonte de luz for grande, pode fazer com que o tempo de brilho residual da fluorescência medido seja instável, afetando assim a precisão da medição de temperatura.
Coleta de sinais de fluorescência
Quando a fonte de luz de excitação é irradiada no sensor de fibra fluorescente, a substância fluorescente emite sinais fluorescentes, which need to be collected by a detection system. The detection system usually includes components such as photodetectors. Photodetectors can convert received fluorescent light signals into electrical signals for subsequent processing. When collecting fluorescence signals, attention should be paid to factors such as the angle and distance of collection. Because the intensity of fluorescence signals varies at different angles and distances, in order to ensure accurate collection of fluorescence signals, é necessário determinar o ângulo e a distância de coleta ideais com base nas características do sensor e do sistema de detecção. Por exemplo, para alguns sensores de fibra óptica, coletando sinais de fluorescência em um 45 ângulo de grau em relação ao fotodetector pode obter melhores resultados. Ao mesmo tempo, a fim de reduzir a interferência da luz difusa externa, o sistema de detecção pode ser equipado com dispositivos como protetores de luz.
（3） Cálculo de temperatura e processamento de dados
Calcule a temperatura com base no brilho residual da fluorescência
Depois de coletar o sinal de fluorescência, o sistema de detecção medirá o tempo de brilho do sinal de fluorescência. Calcule o valor de temperatura correspondente com base no modelo de relação pré-estabelecido entre o tempo de pós-luminescência da fluorescência e a temperatura. This relationship model was obtained through extensive experimentation and calibration. Por exemplo, in the laboratory, fluorescent fiber optic sensors are placed in constant temperature environments at different temperatures to measure their fluorescence afterglow time. Então, mathematical expressions for fluorescence afterglow time and temperature are obtained through data fitting and other methods, such as quadratic or exponential functions. Em aplicações práticas, by substituting the measured fluorescence afterglow time into this mathematical expression, the temperature value inside the transformer can be calculated.
Data Processing and Analysis
The calculated temperature data requires further processing and analysis. Data processing includes operations such as filtering and smoothing of data to remove noise and errors during the measurement process. Por exemplo, digital filtering algorithms such as mean filtering, median filtering, etc.. can be used to process temperature data, making the data smoother and more accurate. In terms of analysis, temperature data can be displayed in real time so that staff can intuitively understand the temperature condition of the transformer. Ao mesmo tempo, an alarm threshold can be set, and the system will issue an alarm when the temperature exceeds the set safety threshold. Além disso, through long-term trend analysis of temperature data, the health status of transformers can be evaluated. Por exemplo, if a gradual increase in temperature is found, it may indicate potential faults in the transformer, such as aging of winding insulation, which require further inspection and maintenance.
4、 Example of Fluorescence Fiber Optic Monitoring for Transformer Temperature
1. Installation and configuration of oil immersed transformer system
In the temperature monitoring project of oil immersed transformers in a large substation, the installation of a sistema de monitoramento de fibra óptica fluorescente foi realizado pela primeira vez. De acordo com as características estruturais do transformador, sensores de fibra óptica fluorescentes são dispostos em múltiplas posições-chave do enrolamento, incluindo o topo, meio, e parte inferior do enrolamento, bem como perto do núcleo de ferro. O sensor é instalado no enrolamento através de um dispositivo de fixação especial para garantir contato próximo com o enrolamento sem afetar o desempenho de isolamento do enrolamento. A fibra óptica interna é conectada à fibra óptica externa através de um flange, e a fibra óptica externa transmite o sinal óptico para o host de medição de temperatura localizado próximo ao transformador. O host de medição de temperatura está equipado com uma fonte de luz de excitação estável, detector fotoelétrico de alta precisão, e poderoso sistema de processamento de dados. A fonte de luz de excitação selecionou um diodo laser com comprimento de onda de 450 nm, e sua potência foi ajustada com precisão para atender aos requisitos de excitação da substância fluorescente sem causar danos a ela.
Em termos de sistema de processamento de dados, uma frequência apropriada de coleta de dados foi definida, como coletar dados de temperatura a cada 5 minutos. Ao mesmo tempo, os limites de alarme foram definidos com base nos parâmetros operacionais e dados históricos do transformador. Para este transformador imerso em óleo, quando a temperatura do enrolamento excede 120 ° C, o sistema emitirá um sinal de alarme de alta temperatura. Para garantir a confiabilidade do sistema, um teste abrangente foi realizado em todo o sistema após a instalação, incluindo testes de desempenho de transmissão óptica de fibras ópticas, temperature response testing of sensors, etc..
Operation monitoring and fault warning
During the daily operation of the transformer, the fluorescent fiber optic monitoring system continues to work. By collecting and analyzing temperature data in real-time, staff can understand the temperature distribution inside the transformer at any time. Por exemplo, during the high temperature period in summer, due to the large load on the transformer, the winding temperature rises slightly. The monitoring system accurately captured temperature changes and promptly issued warning information when the temperature approached the alarm threshold. This enables the staff to take measures in advance, such as adjusting the load of the transformer, strengthening ventilation and heat dissipation, etc., to avoid faults that may be caused by further temperature rise. During a single operation, the monitoring system discovered an abnormal increase in temperature at a certain location of the winding. Upon further inspection, it was found that the blockage in the oil passage at that location was causing poor heat dissipation. By promptly cleaning the oil passage, the issue of abnormal temperature was resolved, avoiding potential transformer failures and ensuring the normal operation of the substation.
2. Example of temperature monitoring for dry-type transformers
Sensor layout and installation characteristics
For the dry-type transformer in the distribution room of a certain factory, the layout of sensors is different when using fluorescent optical fiber to monitor temperatura. Due to the fact that the heat dissipation method of dry-type transformers is mainly air convection, the heat distribution is relatively uniform, but the end of the winding is still an area where the temperature is prone to rise. Portanto, in terms of sensor layout, fluorescent fiber optic sensors are mainly arranged at the ends and middle parts of the winding. When installing sensors, considering the compact structure of dry-type transformers, miniaturized sensors were used and fixed on the winding surface using special fixtures. Este método de instalação não só garante um bom contato entre o sensor e o enrolamento, mas também facilita a instalação e manutenção.
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