分布式感温光纤在大功率发射机上的应用
潘迅 胡晓
（国家新闻出版广电总局831电台）
【摘要】 本文介绍了基于背向拉曼散射的光纤传感技术，分析了分布式光纤感温系统的测温原理。根据大功率发射机系统的实际运行情况，设计了大功率发射机核心部件的温度监测方案，探讨了在中短波发射中心设备管理网络监测的应用。【关键词】 分布式光纤感温系统 大功率发射机 拉曼散射 1 概述随着时代的进步，发射机正在朝着大功率、自动化、有人留守、无人值班的方向发展，发射机一旦发生故障便会对电台安全播出工作造成巨大损失。
温度监测是故障诊断的重要信息。温度检查对于发射机的运行维护工作有着十分重要的意义。温度是环境应变力中的主要表现形式，是直接影响元器件性能和造成元器件损坏、老化和寿命降低的重要因素。大多数元器件均有一定的温度极限，每当超过这个极限时，物理性能就会发生变化，器件就不能发挥它预期的作用。器件还可能在额定温度上由于持续工作的时间过长而发生故障。发射机中大量存在着对温度敏感的器件，温度对真空电容器的影响会使电容量和介质损耗角等参数变化，寿命降低，一般在一定的温度范围内，每升高10°寿命降低一半；对电感、变压器的影响是每升高10°-20°，寿命降低一半；所以，温度对发射机的可靠性起着重要的作用。
为保证大功率广播发射机的安全播出运行，对发射机核心部件的温度实时监测管理显得尤为重要。发射机的核心部件通常是指高压、高频、高速、大电流等部位，温度的变化与本身的性能和工作状况有密切的关系。发射机中大部分设备和连接点的故障是逐渐恶化的，这些部位的温度通常会随着长时间工作运行或状态失谐而导致变化。通过实时监测温度的变化可以及时发现潜在故障，有效的判断该设备是否开始或已经变坏，从而避免事故的发生，保障发射机的安全播出工作。图1 分布式光纤原理图
的数据传输给计算机处理实现终端显示、记录，并将报警信号传送给火警报警控制器系统。2.2.3 光纤通讯传输网络不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息处理及分析系统上。2.2.4 信息处理及分析系统该系统由可恢复式分布式光纤感温系统和系统软件构成，可恢复式分布式光纤感温系统包括解调仪、工控机和接线端子，系统功能包括系统的信息收集、处理和传送，计算机软件系统包括信息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能。软件中文界面，操作简单 ，实时显示真空电容、电缆线路上的各点温度随时间变化的曲线 ，对测量区域在长度上进行分区，最多可分成128各区，分区监测对一些区域进行局部重点监测 ，不同的区域,独立报警每个区域可独立设置3个报警参数，提供强大数据库，存储所有测量和配置数据。软件截图如下图2所示：图2 软件显示界面
3 在大功率发射机中的应用瑞士THALES公司生产的TSW2500型500kW短波发射机是目前世界上最先进的大功率短波广播发射机之一。该发射机采用了稳定和设计合理的两级电子管射频功率放大器，射频末级槽路（如图3）采用3节Π网络（6个真空电容及三π调谐线）组成，实现了阻抗变换、滤除高频谐波分量和阻抗匹配。陶瓷真空电容器价格昂贵，维护使用技术要求高，可承受瞬时的过电压，品质因数高，性能稳定可靠受环境影响小，是理想的宽调谐原件，广泛使用在大功率中短波发射机上，用于调谐、匹配、滤波等。
图3 输出网络简图
经过笔者多年来对发射机故障统计发现，大多数的发射机停播事故事后检查都存在着设备故障点温度过高现象（可以通过温度贴片变色情况及点温判断）。以真空陶瓷电容故障为例：故障一般以真空电容器件漏气、击穿居多。故障形成发展的过程大致分为以下几个步骤：真空电容漏气、耐压降低---真空电容器件温度上升------发射机状态失谐------屏耗增加----发射机频繁掉高压-----真空电容击穿。从该过程分析，如果能够在真空电容器件温度缓慢的上升过程中就能及时发现并采取相应措施，无疑是最佳的防范时机。如何对处于工作状态的发射机设备进行在线监测并进行安全预警和温度变化趋势分析？如何通过实时数据对设备状态、运行环境、运行方式、设备老化、负荷不平衡等进行科学分析？这些都是我们迫切需要解决的问题。分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测量，实现发射机核心部件的温度实时在线监测，例如：陶瓷真空电容器、调制变压器、大电流导线及高压断路器连接部位等的温度监测。应用时将感温光纤敷设于被测部件上，通过监测系统就可以对部件温度及周围环境温度进行实时的监测与记录，工作人员可以利用采集到的数据对发射机的工作状态做出合理判断，并根据温度异常的位置对可能出现的过载故障、接触不良等隐患进行处理，发射机的测温系统布设如图4所示。
图4 测温系统拓扑图
若对机房的多部发射机进行监测，可采用本地工控机系统的多通道分别对应于多发射机来实现温度的实时监测。而当监测的数量较多或对多机房多区域，可采用多个本地系统进行统一管理。监测网采用分层结构，机房本地工控机可实时查看温度监测曲线，同时通过局域网将数据汇集到中心机房或监控中心，由监控中心对上传的数据进行分析，根据分析结果判断发生给出预警信息，及时为发射机运行、维护和故障处理提供服务。图5 感温光纤的铺装方式
3.1 射频机箱真空电容的温度在线监测分布式光纤感温系统能够实现多点、在线的分布式测量，实现发射机设备运行的实时在线监测；能够有效地发现射频机箱真空电容器件出现的漏气、耐压不足、击穿等问题；工作人员在对发射机进行状态调谐时可以通过光纤感温系统时时观察槽路调谐电容的温度，对发射机的调机工作会有很大的帮助。测温光纤不但是信号的载体, 还是温度传感器, 安装的质量直接关系到测量的准确性，因此在施工中应特别注意安装工艺。由于光纤的精确定位性，且无电磁干扰，可直接接入发射机射频机箱，射频机箱各相邻真空电容磁环可直接由一根光纤串接在一起，分别固定于各真空电容瓷环上（图5）。对于真空电容磁环的温度监测，采用抱箍式的方式安装，光纤监测到的是真空电容陶瓷上的表面温度，这个温度通常能反映出槽路传输效率的高低，即发射机工作状态的好坏。由于该部位处于高频、高压、高温的环境中，安装时在保证测量光纤具有足够的机械强度外，还应具有绝缘特性，固定材料采用聚四氟乙烯加工成抱箍形式，如下图6所示。( 1) 把一段光纤绕成一个直径较大的线圈，绕在真空电容瓷环上，用扎带将光纤圈的两头扎在一起并收紧。( 2) 光纤如同纤细的毛线, 在布线时应注意光纤在射频机箱内的走线路径, 要尽量避免光纤被外力损伤和设备操作时的拉伤或折断, 要充分考虑今后不影响射频机箱内设备的检修。图6 光纤固定件示意图
( 3) 光纤是石英制品, 在需要弯曲铺设时只能以直径大于3 cm的圆弧实现, 否则会引起光纤损耗, 影响测量精度。同时, 在光纤接头处理中, 必须保持光纤熔接面的清洁, 以保证测量的准确度。3.2 发射机调制变压器的温度监测对于调制变压器等体积比较大的重要部件，采用盘式贴敷安装，将光纤缠绕在其表面，分别安装在变压器三相绕组线圈芯柱上，安装时尽量靠近变压器内芯，避开散热风机直接吹到的部位，同时保证足够的牢固，防止变压器暂态震动引起感温光纤脱落，增加了测量该区域的光纤长度，提高了测量的准确性，并在温度曲线中能快速地找到高温故障点。3.3 高压电缆接头的温度监测在发射机电力系统中，电缆线路起到传输高压电能的作用。高压开关柜内的电缆接头由于长期运行高负荷电流，接头部位容易接触不良、接触电阻较大，在大电流情况下热功率很大，从而造成过热，加剧接触面氧化，使得接触电阻进一步增大，形成恶性循环，发展到一定程度，便会造成严重故障，破坏供电的安全可靠，因此有必要对电缆接头进行实时、在线监测，及时地发现故障，将事故消除在萌芽状态。因此本设计采用将光纤双环形绕制的铺装方式缠绕在接头上，增加接头处单位的测温点个数，提高接头的测温精度，同时保证了接头故障的精确定位，实时监测其温度，在演变成事故前，及早发现并采取处理措施。 4 结语分布式光纤测温系统集光纤传感、光纤传输、光纤通信、光电控制及计算机等技术于一体，具有本质安全、长期可靠、不受电磁干扰、测温精度高、实时在线等优点。本文结合台站发射机实际情况，设计了针对大功率发射机的光纤测温系统，给出了光纤测温的详细铺装技术方案，解决无人值守机房设备的预报警问题,实现了发射机运行设备的多点、实时、在线监测。
参考文献[1]李荣伟，李永倩．高压电缆分布式光纤传感监测系统[J]。光纤与光缆及其应用技术，2010，(1):38-41.[2]孪强，王艳松，刘学民．光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J]。电力系统保护与控制，2010，38(1):135-140. 编辑：中国新闻技术工作者联合会
评论 点击评论