Измерение температуры при высоком напряжении: методы и датчики

Дата публикации:6 сентября 2026 г., 12:07:16

  • Измерение температуры при высоком напряжении требует использования датчика и метода измерения, которые могут безопасно функционировать в условиях сильных электрических и магнитных полей, а также при значительных разностях электрических потенциалов.
  • Оптико-волоконные датчики температуры особенно хорошо подходят для непосредственного измерения внутри трансформаторов, генераторов и другого высоковольтного оборудования, поскольку точка измерения может быть электрически пассивной и устойчивой к электромагнитным помехам.
  • РТД и термопары продолжают широко применяться в тех случаях, когда можно обеспечить надлежащий контроль за электрической изоляцией, прокладкой кабелей и электромагнитными помехами.
  • Инфракрасная тепловизионная съемка полезен для бесконтактного контроля температуры поверхности, но, как правило, не позволяет напрямую измерить температурные пики в недоступных участках внутренней обмотки.
  • Лучшее высоковольтный датчик температуры зависит от того, является ли измерение внутренним или внешним, точечным или площадным, постоянным или временным, а также от того, требуется ли прямая электрическая изоляция.
  • В случае критически важного оборудования сочетание непосредственного измерения температуры с использованием тепловых моделей, данных о нагрузке и мониторинга состояния позволяет получить более полную картину теплового режима, чем при использовании только одного показателя.

Измерение температуры при высоком напряжении принципиально отличается от обычного промышленного измерения температуры. Сама по себе температура, возможно, не представляет сложности для измерения, однако электрические условия вокруг датчика могут затруднять установку, изоляцию или техническое обслуживание традиционных методов измерения.

Обмотки трансформаторов, обмотки генераторов, дроссели, коммутационное оборудование, шины и высоковольтное испытательное оборудование могут работать в условиях сильных электромагнитных полей и при электрических потенциалах, из-за которых металлические датчики и обычная проводка не подходят для определённых мест проведения измерений. Поэтому инженерам необходимо оценивать не только диапазон температур и точность, но также электрическая изоляция, защита от электромагнитных помех, расположение датчиков, доступ к месту установки и интеграция в систему.

В данном руководстве сравниваются основные методы измерения температуры в высоковольтном оборудовании и объясняется, когда оптико-волоконный контроль температуры, следует рассмотреть возможность использования датчиков электрического контакта, инфракрасного измерения или расчетного теплового мониторинга.

Содержание

1. Что такое измерение температуры при высоком напряжении?

1.1 Определение измерения температуры в условиях высокого напряжения

Измерение температуры при высоком напряжении Относится к измерению температуры на поверхности или внутри электрооборудования, где высокий электрический потенциал, сильные электрические и магнитные поля или помехи, возникающие при переключении, влияют на выбор и установку датчика.

Задача может быть как простой — например, проверка температуры внешнего соединения, — так и сложной — например, измерение температуры проводника, расположенного внутри обмотки трансформатора под напряжением.

Эти две ситуации требуют применения совершенно разных технологий измерения температуры.

1.2 Какие температуры измеряются в высоковольтном оборудовании?

К типичным объектам измерения относятся:

  • Зоны повышенной температуры в обмотках трансформатора
  • Температура трансформаторного масла
  • Температура обмоток генератора и двигателя
  • Температура шин и электрических соединений
  • Температура контактов распределительного устройства и кабельных концевок
  • Температура обмотки реактора
  • Температура модуля силовой электроники
  • Температура испытуемого объекта при высоковольтных лабораторных испытаниях
  • Температура на входе и выходе системы охлаждения

Выбор подходящего датчика во многом зависит от того, находится ли измеряемая температура на доступной поверхности или глубоко внутри оборудования.

1.3 Прямое и косвенное измерение температуры в условиях высокого напряжения

A прямое измерение температуры позволяет разместить чувствительный элемент в самой точке интереса или в непосредственной близости от неё. Хорошим примером является встроенный датчик с обмоткой.

Косвенный метод позволяет оценить или определить тепловое состояние на основе другого параметра. Например, температуру «горячей точки» обмотки трансформатора можно оценить с помощью данных о нагрузке, температуре масла и тепловой модели.

Оба подхода могут быть полезны. Прямой замер позволяет определить температуру в месте установки датчика, тогда как тепловые модели позволяют непрерывно оценивать условия в тех местах, где установка датчика затруднена.

2. Почему измерение температуры в высоковольтном оборудовании представляет собой сложность?

Система контроля температуры клапанов преобразователя высоковольтного постоянного тока

2.1 Электрическая изоляция при измерении температуры в условиях высокого напряжения

Обычный терморезистор (RTD) или термопара содержит проводящие материалы и требует подключения к электросети. Если точка измерения расположена вблизи проводника с высоким потенциалом, вся измерительная цепь должна быть спроектирована таким образом, чтобы датчик, кабель, преобразователь сигнала и оборудование для сбора данных обеспечивали надлежащую электрическую изоляцию.

Это не означает, что RTD или термопары нельзя использовать в высоковольтном оборудовании. Они широко применяются в подходящих местах. Важен вопрос о том, совместимы ли металлический чувствительный элемент и электрические соединительные провода с конкретным местом проведения измерений.

2.2 Электромагнитные помехи и датчики температуры

Трансформаторы, генераторы, преобразователи и силовые кабели могут создавать сильные электромагнитные поля. Коммутационное оборудование и силовая электроника могут вызывать дополнительные электрические помехи.

Поэтому электрические сигналы температуры могут требовать экранирования, заземления, изоляции и тщательной прокладки кабелей.

Один Датчик температуры, устойчивый к электромагнитным помехам Технология, основанная на оптической передаче, позволяет избежать многих из этих проблем, связанных с помехами в сигнале, поскольку информация о температуре передается по оптическому волокну, а не по традиционной электрической измерительной цепи.

2.3 Измерение температуры внутри высоковольтного устройства

Некоторые из наиболее ценных температурных данных также являются самыми труднодоступными.

Например, «горячая точка» в обмотке трансформатора может находиться внутри изоляции и конструкций обмотки, доступ к которым после изготовления становится невозможным. При поверхностном инфракрасном контроле невозможно проникнуть взглядом сквозь корпус трансформатора и масло, чтобы измерить это внутреннее местоположение.

По этой причине прямой внутренний мониторинг, как правило, необходимо планировать еще на этапе проектирования или изготовления оборудования. Встроенный волоконно-оптические датчики температуры для обмоток трансформаторов являются одним из вариантов для данного типа измерений.

3. Методы измерения температуры в условиях высокого напряжения

3.1 Измерение температуры с помощью оптоволоконных датчиков

Система оптоволоконного контроля температуры

Измерение температуры с помощью оптоволоконных датчиков использует оптические сигналы вместо электрических в точке измерения. В зависимости от технологии измерения температура может влиять на время жизни флуоресценции, длину волны отраженного излучения, оптическое рассеяние или иные оптические свойства.

Для точечных измерений высокого напряжения особенно полезны датчики на основе флуоресценции, поскольку небольшой температурный датчик можно установить в выбранном месте, в то время как электронный считыватель остается вдали от точки измерения высокого напряжения.

Полный многоканальная оптоволоконная система измерения температуры может собирать данные с нескольких точек непосредственного измерения температуры на одном устройстве или в нескольких контролируемых зонах.

3.2 Измерение температуры с помощью терморезисторов в высоковольтном оборудовании

Резистивные датчики температуры измеряют температуру по предсказуемому изменению электрического сопротивления чувствительного материала, которым обычно является платина.

Терморезисторы широко используются благодаря своей способности обеспечивать стабильное измерение температуры в промышленных условиях. Они подходят для измерения температуры трансформаторного масла, корпусов, двигателей и технологических процессов, где датчик и проводка могут быть надежно встроены в конструкцию.

Однако в тех случаях, когда датчик RTD необходимо установить непосредственно в зоне с очень высоким электрическим потенциалом, электрическая изоляция и проводка становятся важными инженерными факторами, которые необходимо учитывать.

3.3 Измерение температуры с помощью термопары

Термопары измеряют температуру с помощью термоэлектрического напряжения, возникающего при соединении разнородных проводников.

Они отличаются прочностью, широко доступны и подходят для использования в различных промышленных температурных диапазонах. Их по-прежнему можно использовать для лабораторных испытаний, на поверхностях оборудования и в местах, где допускается установка электрических датчиков.

Однако, как и резистивные датчики температуры (RTD), термопары обладают электропроводностью. При проведении измерений вблизи высоковольтных проводников необходимо учитывать целостность сигнала, заземление и изоляцию.

3.4 Инфракрасная и тепловизионная диагностика высоковольтного оборудования

Инфракрасная термография является одним из наиболее эффективных бесконтактных методов диагностики высоковольтных установок.

К типичным целям относятся:

  • Соединения шин
  • Электрические клеммы
  • Подключение распределительных устройств
  • Втулки
  • Оконцовка кабелей
  • Доступные поверхности трансформатора

Главное преимущество заключается в том, что проверку зачастую можно проводить без физического подключения датчика к проводнику под напряжением.

Не менее важно и следующее ограничение: инфракрасные системы в первую очередь регистрируют доступные поверхности. Результаты также могут зависеть от коэффициента излучаемости, угла обзора, расстояния, отражений и условий окружающей среды.

Таким образом, инфракрасный контроль скорее дополняет, чем заменяет встроенные датчики температуры, когда фактическая точка измерения температуры находится внутри оборудования.

3.5 Расчетный и модельный мониторинг температуры

Термические модели представляют собой ещё один метод, который можно использовать в тех случаях, когда прямые измерения невозможны.

При эксплуатации трансформаторов такие параметры, как нагрузка, условия окружающей среды, температура масла, градиенты намотки и состояние охлаждения, могут использоваться для оценки внутренних тепловых условий.

Данный подход является важной частью мониторинг температуры трансформатора и может использоваться в сочетании с прямыми датчиками для сравнения прогнозируемого и измеренного изменения температуры.

4. Сравнение датчиков температуры высокого напряжения

Метод измерения Контактный / Бесконтактный Электрический сигнал на датчике Защита от электромагнитных помех Внутренние измерения Типичное применение в области высокого напряжения
Флуоресцентный волоконно-оптический датчик Контакты В точке измерения отсутствует стандартный электрический сигнал Отлично Подходит для точечных измерений во встроенных системах Оболочки трансформаторов и генераторов, высоковольтное испытательное оборудование
Оптический датчик FBG Контакты В точке измерения отсутствует стандартный электрический сигнал Отлично Подходит при использовании соответствующего корпуса датчика Многоточечное измерение температуры и структурных параметров
RTD Контакты Да Зависит от установки Возможно, если это допускает электрическая схема Измерение уровня нефти, поверхностное измерение, измерение в закрытых емкостях и традиционные промышленные измерения
Термопара Контакты Да Зависит от установки Возможно, если это допускает электрическая схема Испытания и промышленные измерения температуры
Инфракрасная / тепловизионная съемка Бесконтактный Датчик отсутствия контакта Не основано на сигнале электрического датчика Обычно только поверхностная обработка Соединения, шины, клеммы и доступные поверхности
Тепловая модель Рассчитано В расчетной точке не требуется установка прямого датчика Не относится к самому расчету Рассчитанные, а не измеренные непосредственно Оценка «горячих точек» и нагрузки трансформатора

Из таблицы видно, почему не существует единственного “лучшего” варианта” высоковольтный датчик температуры. Выбор правильного метода зависит от того, что именно необходимо измерить.

5. Волоконно-оптические датчики температуры для измерения высокого напряжения

оптико-волоконный контроль температуры

5.1 Почему волоконно-оптические датчики температуры работают в условиях высокого напряжения

Главное преимущество волоконно-оптический датчик температуры для высоковольтных систем — это расстояние между точкой оптического измерения и обычными электронными измерительными приборами.

Зонд и волокно могут быть изготовлены из диэлектрических материалов, при этом оптические сигналы передают измерительную информацию на опрашивающее устройство, расположенное за пределами критической зоны высокого напряжения.

Благодаря этому волоконно-оптические датчики обладают рядом практических характеристик:

  • Устойчивость к электромагнитным помехам в оптическом тракте датчика
  • В точке измерения отсутствует ток, характерный для обычных электрических измерений
  • Пригодность для использования в условиях сильных электрических и магнитных полей
  • Компактные измерительные датчики для встроенных измерений
  • Дистанционная установка электронных приборов
  • Многоканальный мониторинг температуры в определённых точках

5.2 Флуоресцентные волоконно-оптические датчики температуры

Основная технология INNO в области измерения температуры с помощью оптического волокна заключается в точечное зондирование на основе флуоресценции.

На кончике зонда расположен флуоресцентный чувствительный материал. Он подвергается оптическому возбуждению, после чего его флуоресцентный сигнал затухает. Время затухания зависит от температуры, что позволяет опрашивающему устройству преобразовывать оптический сигнал в значение температуры.

Данный метод позволяет измерить температуру в конкретной точке и не следует путать его с методом распределенного измерения температуры.

Информацию об установках, требующих использования отдельных датчиков, см. в флуоресцентные оптоволоконные датчики температуры.

5.3 Точечное волоконно-оптическое зондирование и распределенное зондирование температуры

Точечное и распределенное оптоволоконное измерение температуры позволяют решать разные задачи.

Характеристика Точечный оптоволоконный датчик DTS
Результаты измерений Температура в выбранных точках размещения датчиков Профиль температуры вдоль измерительного волокна
Типичное расстояние Конкретные местные точки измерения Длинные маршруты с несколькими остановками
Типичная область применения Зоны повышенной температуры в обмотках трансформаторов, генераторы, высоковольтные узлы Кабели, туннели, трубопроводы и длинные объекты инфраструктуры
INNO Focus Точечное зондирование на основе флуоресценции Это не та технология, о которой здесь идет речь

В случае обмотки трансформатора знание температуры в нескольких тщательно выбранных точках максимального нагрева может оказаться более полезным, чем получение длинного профиля распределения температуры.

5.4 Многоканальное оптоволоконное измерение температуры

Высоковольтное оборудование часто содержит более одной точки, критичной с точки зрения теплового режима.

Для трансформатора может потребоваться несколько датчиков температуры обмоток. Для генератора может потребоваться контроль по нескольким пазам статора или фазам. В лабораторной системе может потребоваться одновременное измерение при нескольких изолированных электрических потенциалах.

Компания INNO предлагает системы, начиная от компактных сенсорных модулей и заканчивая платформами с большим количеством каналов, включая 3-канальный оптоволоконный датчик температуры и 64-канальная система измерения температуры с использованием флуоресцентных оптоволоконных датчиков.

Необходимое количество каналов следует выбирать исходя из задачи термических измерений, а не просто стремясь к максимальному количеству датчиков.

6. Применение систем измерения температуры в высоковольтных системах

6.1 Измерение температуры обмотки трансформатора при высоком напряжении

transformer-core-condition-monitoring.webp

Обмотки трансформатора — один из нагляднейших примеров того, почему оптический метод измерения температуры является ценным.

Зона перегрева обмотки может находиться внутри изоляционной конструкции при высоком электрическом потенциале и в условиях сильного электромагнитного поля. При измерении с внешней поверхности это место невозможно обнаружить напрямую.

Встроенный волоконно-оптические датчики температуры для мониторинга горячих точек обмоток трансформаторов может измерять температуру непосредственно в выбранных внутренних точках.

Полное описание структуры приложения см. в мониторинг горячих точек обмоток трансформатора и мониторинг масляных трансформаторов.

6.2 Измерение температуры масляных трансформаторов

В масляном трансформаторе присутствует несколько различных тепловых величин, которые не следует рассматривать как одно и то же измерение:

  • Температура окружающей среды
  • Температура масла на дне
  • Максимальная температура масла
  • Средняя температура обмотки
  • Рассчитанная «горячая точка» обмотки
  • Температура прямой обмотки в местах расположения встроенных датчиков

Оптико-волоконная система может использоваться для непосредственного измерения намотки, в то время как традиционные приборы контролируют состояние масла и другие параметры трансформатора.

Для более широкого мониторинга Система контроля температуры, уровня и давления трансформаторного масла может дополнять встроенную систему контроля обмотки.

6.3 Измерение температуры трансформаторов сухого типа

Трансформаторы сухого типа также требуют контроля температуры, однако архитектура системы контроля может существенно отличаться от той, которая используется в оборудовании с жидкостным охлаждением.

Обычные регуляторы температуры широко используются для индикации температуры обмотки, управления вентиляторами и подачи сигналов тревоги. Компания INNO предлагает такие системы, как IB-S201 — устройство контроля и регулирования температуры сухих трансформаторов.

Измерения с помощью оптоволоконных датчиков также можно рассматривать в тех случаях, когда требуется прямое измерение в местах, подверженных воздействию сильных электромагнитных полей или ограничений по электрической изоляции.

См. контроль температуры трансформатора сухого типа для архитектуры мониторинга на уровне приложений.

6.4 Измерение температуры обмоток генератора и двигателя

Крупные генераторы и двигатели характеризуются высокими токами, сильными магнитными полями и плотно скомпонованными обмотками. Эти особенности делают их ещё одной важной областью применения для электрически изолированных датчиков.

Оптико-волоконные датчики температуры можно размещать в определённых точках обмотки на этапе изготовления оборудования, где требуются непосредственные встроенные измерения.

Данное приложение особенно актуально в производство электроэнергии, где тепловые условия работы генератора могут влиять на решения, касающиеся нагрузки на оборудование и его технического обслуживания.

6.5 Контроль температуры подстанций и высоковольтного оборудования

На подстанциях установлено множество компонентов, чувствительных к перегреву, в том числе трансформаторы, коммутационное оборудование, соединения, шины, кабельные концевые муфты и другие высоковольтные узлы.

Ни одна из технологий датчиков не является идеальной для всех этих целей.

Инфракрасный контроль может оказаться эффективным для доступных поверхностей, тогда как датчики постоянного контакта могут быть более подходящими для закрытых участков или точек, находящихся под постоянным наблюдением. Встроенные оптоволоконные датчики становятся незаменимыми в тех случаях, когда измерительная система должна быть электрически изолирована или размещена внутри высоковольтного оборудования.

См. более подробную информацию приложение для мониторинга подстанций для контекста мониторинга на системном уровне.

6.6 Высоковольтные испытания и лабораторные измерения

В высоковольтных лабораториях часто возникает необходимость в измерении температуры, когда испытуемый объект находится под напряжением или подвергается воздействию сильных электромагнитных полей.

В зависимости от эксперимента металлический кабель датчика может оказывать влияние на конфигурацию испытательной установки, создавать нежелательные электрические пути или вносить помехи в измерения.

Благодаря оптическому датчику температурный элемент остается изолированным от традиционной электрической системы сбора данных, что делает волоконно-оптическое измерение температуры полезным для диэлектрических испытаний, экспериментов в условиях сильных полей и компонентов с электрической изоляцией.

7. Выбор датчика температуры для высоковольтных систем

7.1 Выбор датчика в зависимости от места проведения измерений

Первый вопрос не должен звучать так: “Какой датчик температуры имеет лучшие технические характеристики?”

Первый вопрос должен звучать так:

Где именно нужно измерить температуру?

Например:

  • Доступная поверхность шины → возможно, подойдут инфракрасные или контактные датчики.
  • Может оказаться целесообразным проводить измерение температуры масла в верхней части трансформатора по сравнению с температурой обычного масла.
  • Внутренняя обмотка трансформатора → встроенные оптоволоконные датчики могут оказаться более предпочтительным вариантом.
  • При длинной трассе кабеля питания → возможно, целесообразнее использовать распределенную систему датчиков.
  • Плавающий объект, подвергаемый высоковольтному испытанию → использование электрически пассивных оптических датчиков может упростить его изоляцию.

7.2 Оценка электрического потенциала и электромагнитных помех

Если место установки датчика находится в непосредственной электрической близости от потенциала заземления и уровень электромагнитных помех находится в допустимых пределах, вполне подойдет обычный промышленный датчик.

Если точка измерения расположена непосредственно внутри высоковольтной обмотки или электрически изолированной конструкции, диэлектрик высоковольтный датчик температуры становится гораздо привлекательнее.

7.3 Определение разницы между точечным и многоточечным измерением

Одноканальная измерительная система вполне достаточна, если требуется контроль только одной критической точки. INNO предлагает одноканальный оптоволоконный модуль измерения температуры для компактных конфигураций точечного измерения.

Для оборудования, содержащего несколько фаз, обмоток или тепловых зон, может потребоваться многоканальная система.

Количество датчиков следует определять исходя из следующих факторов:

  • Количество термически критических зон
  • Фазовое расположение
  • Требуемая избыточность
  • Прогнозируемое перемещение «горячих точек»
  • Результаты термического моделирования
  • Цель мониторинга

7.4 Проверка требований к диапазону температур, точности и времени отклика

При выборе датчика не следует руководствоваться только диапазоном температур.

Технические требования должны включать:

  • Требуемый диапазон рабочих температур
  • Неопределенность измерения или целевой показатель точности
  • Требуемая повторяемость
  • Требования к времени отклика
  • Долгосрочная стабильность калибровки
  • Размеры датчика
  • Длина волокна
  • Механическая защита
  • Экологическая совместимость

Точные значения следует уточнять, руководствуясь техническим паспортом выбранного датчика и конфигурацией считывающего устройства.

7.5 Проверка требований к связи и управлению

Системы измерения температуры зачастую необходимо подключать к более крупной системе мониторинга или управления.

В зависимости от выбранной модели и конфигурации INNO интеграция может осуществляться с использованием промышленных интерфейсов, таких как RS485, Modbus, аналоговые сигналы или релейные выходы.

A Система мониторинга и регулирования температуры с использованием флуоресцентных оптоволоконных датчиков при необходимости может сочетать сбор данных о температуре с функциями мониторинга и управления.

8. Расположение и монтаж датчиков температуры высокого напряжения

8.1 Расположение датчика может иметь большее значение, чем его точность

Высокоточный датчик, установленный в неподходящем месте, может предоставлять менее полезную информацию, чем датчик с чуть меньшей точностью, расположенный в той точке, которая действительно представляет интерес с точки зрения теплового режима.

Это особенно важно в обмотках, поскольку температура распределяется неравномерно.

Оптический датчик регистрирует температуру в том месте, где он установлен. Он не может автоматически определить, не является ли более горячим какое-либо другое место в обмотке, не оборудованное датчиками.

8.2 Использование термического анализа для выбора точек измерения

В случае критически важного высоковольтного оборудования размещение датчиков может быть обеспечено следующими способами:

  • Расчет электромагнитных потерь
  • Моделирование тепловых сетей
  • Вычислительная гидродинамика
  • Предыдущие испытания на повышение температуры
  • Опыт проектирования обмоток
  • Известные пути прохождения охлаждающего потока

Такой подход является более надежным, чем установка датчиков на равных расстояниях без учета фактической тепловой конструкции.

8.3 Защита волоконно-оптических датчиков при монтаже

Принцип оптического зондирования может быть невосприимчив к электромагнитным помехам, однако само оптическое волокно по-прежнему требует правильной механической установки.

Проверка установки должна включать:

  • Минимальный радиус изгиба
  • Защита от защемления
  • Способ крепления зонда
  • Прокладка оптоволоконных кабелей
  • Чистота разъема
  • Совместимость изоляционных материалов
  • Идентификация канала
  • Проверка непрерывности перед окончательной сборкой

Для трансформаторных установок с высокими механическими нагрузками следует использовать бронированный оптоволоконный датчик температуры для обмоток масляных трансформаторов можно рассмотреть.

9. Эталоны измерения температуры при высоком напряжении и инженерные данные

9.1 Руководство по измерению температуры IEEE C57.165-2024

IEEE C57.165-2024, Руководство по измерению температуры трансформаторов и реакторов с жидкостным заполнением, посвящен конкретно измерению температуры в трансформаторах и реакторах, погруженных в жидкость.

В данном руководстве температура обмоток признается ключевым фактором, определяющим тепловые характеристики трансформатора, и рассматриваются методы измерения температуры обмоток и других элементов конструкции трансформатора.

Это имеет важное значение для мониторинга температуры в высоковольтных системах, поскольку подтверждает один из основных инженерных принципов: надежный контроль и анализ температурных режимов в первую очередь зависят от получения достоверных данных о температуре оборудования.

9.2 Стандарт МЭК 60076-7 и измерение температуры в оптоволоконных трансформаторах

IEC 60076-7:2018 представляет собой руководство по нагрузке для силовых трансформаторов, погруженных в минеральное масло. В нем рассматриваются рабочие температуры, термическое старение и тепловые модели трансформаторов.

В издании 2018 года также приведены рекомендации относительно количества волоконно-оптических датчиков, используемых при испытаниях на повышение температуры, что свидетельствует о том, что встроенные оптические системы измерения температуры являются общепринятым методом оценки тепловых характеристик трансформаторов.

9.3 Стандарт IEEE C57.91-2025 «Нагрузка и температура трансформаторов»

IEEE C57.91-2025 — это действующее руководство IEEE по нагрузке трансформаторов, погруженных в минеральное масло, и ступенчатых регуляторов напряжения.

В нём рассматриваются вопросы нагрузки, превышающей номинальные значения, указанные на заводской табличке, условия окружающей среды, методы охлаждения, критерии температурного режима трансформатора и методы расчёта температуры.

В контексте онлайн-мониторинга это объясняет, почему нагрузку, состояние системы охлаждения и измеренную температуру следует оценивать комплексно.

9.4 Выпущен трансформатор мощностью 20 МВА с 12 точками измерения на основе оптоволоконных технологий

В опубликованном в журнале «IEEE Sensors Journal» исследовании была продемонстрирована многоточечная оптоволоконная сенсорная сеть, интегрированная в Силовой трансформатор мощностью 20 МВА.

Используемая система 12 точек измерения внутренней температуры распределены по различным участкам, включая обмотки, целлюлозную изоляцию, магнитный контур и зоны охлаждающего масла.

Значение этого примера заключается не в том, что каждому трансформатору требуется 12 датчиков. Он демонстрирует, что многоточечный оптический метод измерения температуры был физически интегрирован в конструкцию крупных силовых трансформаторов для непрерывного мониторинга внутренней температуры.

9.5 Пример внедрения системы оптоволоконного мониторинга трансформатора напряжением 110 кВ

В другой опубликованной статье по материалам конференции IEEE описывается применение волоконно-оптического мониторинга температуры в Маслонаполненный трансформатор на 110 кВ.

Согласно отчету, система проработала примерно 10 месяцев, демонстрируя прямой внутренний оптический замер температуры в реальных условиях эксплуатации трансформатора.

В данном примере использовался FBG, а не флуоресцентный датчик, однако он по-прежнему служит убедительным доказательством общей технической осуществимости применения оптических датчиков внутри высоковольтных трансформаторов.

9.6 Исследование с использованием 20 датчиков показывает, почему важно правильное размещение датчиков

В исследовании, опубликованном в 2023 году в журнале «IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement», были оценены тепловые характеристики трансформатора с использованием 20 оптико-волоконных датчиков вместе с вычислительной гидродинамикой.

Исследование показало, что точечное измерение температуры не всегда отражает максимальную критическую температуру в других частях обмотки трансформатора. Расположение обмоток и распределение потока масла влияли на тепловой режим и, следовательно, на выбор оптимальных мест установки датчиков.

Это подтверждает важное правило для измерение температуры при высоком напряжении:

Технология датчиков и их расположение должны разрабатываться комплексно.

10. Архитектура системы контроля температуры высоковольтных установок

Типичную архитектуру постоянного оптического мониторинга можно представить следующим образом:

Термодатчик → Оптическое волокно → Оптический считыватель → Обработка данных о температуре → Блок логики сигнализации → ПЛК / SCADA / Платформа мониторинга

10.1 Датчик температуры высокого напряжения

Датчик устанавливается в месте измерения температуры. Его конструкция зависит от области применения, условий изоляции и необходимой механической защиты.

10.2 Оптический кабель и удлинительный кабель

Оптическое волокно передает сигнал с датчика на электронный блок мониторинга.

Если требуется увеличить длину маршрута или обеспечить большую гибкость подключения, то удлинительный кабель для оптоволоконного датчика температуры может стать частью инсталляции.

10.3 Волоконно-оптический датчик температуры

Интеррогер генерирует оптическое возбуждение, регистрирует отраженный оптический сигнал и вычисляет температуру.

В различных приложениях могут использоваться компактные модули, такие как IF-G3 — 3-канальный оптоволоконный модуль измерения температуры или более крупные многоканальные приборы.

10.4 Локальное отображение и удаленный мониторинг

Если операторам требуется отображение температуры на месте, системы могут включать в себя Прибор с ЖК-дисплеем для измерения температуры с помощью оптоволоконного датчика.

Для удаленного мониторинга состояния показатели температуры могут быть интегрированы в системы управления или в платформы мониторинга трансформаторов более высокого уровня.

11. Примеры конфигураций систем контроля температуры в высоковольтных системах

11.1 Пример: Контроль обмоток трехфазного трансформатора

Рассмотрим наглядный пример трехфазного трансформатора, в котором как обмотка высокого напряжения, так и обмотка низкого напряжения считаются термически значимыми.

Элемент дизайна Пример конфигурации
Этапы 3
Количество обмоток, подлежащих контролю, на каждую фазу ВН + НН
Количество точек измерения температуры на один виток 2 выбранных места
Общее количество точек измерения 3 × 2 × 2 = 12
Метод измерения Встроенные точечные оптоволоконные датчики
Цель мониторинга Сравните динамику температур фаз, обмоток и горячих точек

Это примерная конфигурация, а не обязательное требование. Фактическое количество датчиков должно соответствовать тепловому расчету трансформатора и задачам мониторинга.

11.2 Пример: одна критически важная точка измерения высокого напряжения

Некоторым приложениям не требуется обширная система мониторинга.

Для лабораторной испытательной установки или электрически изолированного компонента может потребоваться лишь одна точка измерения критической температуры. В этом случае компактный одноканальный оптический измерительный модуль может оказаться более простым и экономичным решением, чем установка крупной многоканальной платформы.

11.3 Пример: Контроль температуры с большим количеством каналов

Для проведения испытаний на исследовательской платформе, на крупных трансформаторах, генераторах или промышленных тепловых установках может потребоваться одновременный мониторинг температуры в десятках точек.

64-канальная платформа позволяет архитектуре мониторинга формировать гораздо более плотную карту температур, однако добавление датчиков целесообразно только в том случае, если дополнительные точки измерения имеют четкую техническую цель.

Цель должна заключаться в том, чтобы более полная информация о тепловых характеристиках, а не просто большее количество каналов.

12. Распространённые ошибки при измерении температуры в системах высокого напряжения

12.1 Выбор датчика исключительно по точности

Точность важна, но это лишь один из аспектов выбора датчиков высокого напряжения. Электрическая изоляция, устойчивость к электромагнитным помехам, механический монтаж и фактическое расположение щупа могут оказать более значительное влияние на пригодность результатов измерений.

12.2 Предположение о том, что при инфракрасном измерении можно обнаружить внутренние горячие точки

Тепловизионные камеры — это мощные диагностические инструменты, однако, как правило, они измеряют температуру доступных поверхностей. Температура поверхности бака трансформатора не совпадает с температурой внутреннего проводника обмотки.

12.3 Предположение о том, что волоконно-оптические датчики автоматически находят самую горячую точку

Оптико-волоконный датчик непосредственно измеряет температуру в месте своей установки. Он не определяет автоматически истинную максимальную температуру в других частях оборудования.

При размещении датчиков следует руководствоваться знаниями в области теплового моделирования и инженерии.

12.4 Игнорирование механической защиты волокон

Устойчивость к электромагнитным помехам не означает механическую прочность. Волокна по-прежнему могут повредиться в результате чрезмерного изгиба, сдавливания, растяжения или неправильной прокладки.

12.5 Использование слишком малого количества точек измерения температуры

Одна точка измерения может не отражать термически сложную трехфазную систему.

Если распределение температуры может значительно варьироваться в зависимости от фазы, обмотки или зоны охлаждения, следует рассмотреть возможность многоточечного мониторинга.

12.6 Установка слишком большого количества датчиков без разработки теплового плана

Встречается и обратная проблема. Установка десятков датчиков без понимания вероятных «горячих точек» может привести к получению огромного объема данных без повышения диагностической ценности.

Точки измерения должны быть связаны с конкретными тепловыми рисками.

12.7 Рассмотрение температуры в качестве единственного показателя состояния

Температура играет важную роль, однако в высоковольтном оборудовании могут возникать электрические, изоляционные и механические проблемы, которые не могут быть полностью объяснены одним лишь влиянием температуры.

Что касается трансформаторов, то более широкий мониторинг трансформатора может объединять тепловую информацию с анализ растворенных газов, мониторинг частичных разрядов, мониторинг втулок и Мониторинг OLTC.

13. Часто задаваемые вопросы об измерении температуры в условиях высокого напряжения

13.1 Что такое измерение температуры при высоком напряжении?

Измерение температуры в условиях высокого напряжения — это измерение температуры на поверхности или внутри оборудования, работающего в условиях высокого электрического потенциала или сильных электромагнитных помех. Поэтому при выборе датчика необходимо учитывать не только стандартные температурные характеристики, но и требования к электрической изоляции и электромагнитным помехам.

13.2 Какой датчик температуры лучше всего подходит для высоковольтного оборудования?

Не существует универсального «лучшего» датчика. Волоконно-оптические датчики особенно подходят для прямых измерений с электрической изоляцией, датчики сопротивления (RTD) и термопары по-прежнему остаются полезными в соответствующих электрических установках, а инфракрасные системы эффективны для контроля доступных поверхностей.

13.3 Почему в высоковольтном оборудовании используются оптоволоконные датчики температуры?

Волоконно-оптические датчики передают измерительные данные по оптическому каналу и могут использовать электрически пассивные измерительные зонды. Благодаря этому они подходят для применения в условиях сильных электромагнитных полей, а также в местах, где прокладка проводов для обычных электрических датчиков затрудняет обеспечение изоляции.

13.4 Устойчивы ли оптоволоконные датчики температуры к электромагнитным помехам?

Оптический канал измерения и передачи данных по своей сути устойчив к электромагнитным помехам, поскольку измерительный сигнал передается с помощью света, а не электрического тока. Тем не менее, для обеспечения надлежащего функционирования всей системы мониторинга необходимы правильная установка и грамотное проектирование электронного оборудования.

13.5 Могут ли волоконно-оптические датчики непосредственно измерять температуру обмотки трансформатора?

Да. Правильно установленный встроенный оптоволоконный датчик измеряет температуру непосредственно в месте его физического расположения в обмотке трансформатора. См. соответствующий раздел волоконно-оптическая система измерения температуры для масляных трансформаторов.

13.6 Могут ли инфракрасные камеры измерять температурные пики в обмотках трансформатора?

Как правило, не непосредственно внутри закрытого масляного трансформатора. Инфракрасные системы регистрируют излучение с доступных поверхностей, тогда как «горячая точка» обмотки находится внутри трансформатора. Инфракрасный контроль по-прежнему остается ценным методом для проверки проходных изоляторов, соединений, клемм и внешних поверхностей.

13.7 В чём заключается разница между оптоволоконным датчиком температуры и датчиком сопротивления (RTD)?

Волоконно-оптический датчик измеряет температуру по оптическому сигналу и передает результаты измерения по оптическому каналу. Датчик RTD измеряет изменение электрического сопротивления чувствительного элемента. Оба типа датчиков обеспечивают точное измерение температуры, однако их электрические характеристики и требования к монтажу различаются.

13.8 Сколько требуется оптоволоконных датчиков температуры?

Количество зависит от геометрии оборудования, фаз, конструкции обмотки, предполагаемых зон повышенного нагрева, требуемой резервированности и задач мониторинга. Универсального числа, применимого ко всем трансформаторам или высоковольтным системам, не существует.

13.9 Можно ли подключить оптоволоконные датчики температуры к ПЛК или системам SCADA?

Да, если выбранный опрашиватель оснащён необходимым промышленным интерфейсом связи. В зависимости от модели и конфигурации системы могут поддерживать интерфейсы RS485, Modbus, аналоговые выходы, релейные выходы или другие варианты интеграции.

13.10 Является ли измерение температуры с помощью оптоволокна тем же, что и DTS?

Нет. Оптико-волоконные датчики температуры на основе флуоресценции, используемые для мониторинга «горячих точек» в трансформаторах и высоковольтных установках, как правило, представляют собой технологию точечного измерения. Система DTS измеряет распределенный температурный профиль по всей длине измерительного волокна.

13.11 Можно ли установить датчики температуры высокого напряжения в рамках модернизации?

Это зависит от места проведения измерений. Внешние или доступные датчики зачастую можно установить в ходе модернизации. Датчик, который необходимо встроить глубоко в обмотку трансформатора, обычно проще установить на этапе производства или в ходе капитального ремонта.

13.12 Какие данные следует контролировать наряду с температурой высокого напряжения?

В зависимости от оборудования к полезным вспомогательным данным могут относиться ток нагрузки, температура окружающей среды, состояние системы охлаждения, температура масла, сигналы тревоги, а также параметры мониторинга состояния, такие как анализ газов в масле (DGA) или частичные разряды. Совокупность этих измерений позволяет получить более полную картину рабочего состояния, чем при использовании только температурных показателей.

14. Заключение: Измерение температуры в условиях высокого напряжения и выбор датчиков

Измерение температуры при высоком напряжении Для этого недостаточно просто выбрать датчик с подходящим температурным диапазоном. Инженеры должны учитывать электрический потенциал, электромагнитные помехи, место проведения измерений, способ установки датчика, механическую защиту и архитектуру системы мониторинга.

Терморезисторы и термопары по-прежнему остаются эффективными традиционными датчиками температуры в тех случаях, когда можно безопасно проложить электрическую проводку. Инфракрасная термография позволяет проводить ценный бесконтактный контроль доступных высоковольтных поверхностей. Тепловые модели дают оценку внутренних температур в тех случаях, когда прямое измерение невозможно.

Для прямого измерения температуры внутри высоковольтных, подверженных сильному электромагнитному воздействию или электрически изолированных сред, волоконно-оптические датчики температуры представляют собой важную альтернативу. Точечное измерение на основе флуоресценции особенно подходит в тех случаях, когда необходимо измерить температуру в определённых «горячих точках» обмоток трансформатора, генератора или высоковольтного оборудования.

Опубликованные исследования трансформаторов с использованием 12 внутренних точек оптического зондирования в трансформаторе мощностью 20 МВА, оптическое зондирование в Трансформатор на 110 кВ, а также эксперименты с использованием 20 оптических датчиков в сочетании с CFD-анализом а также продемонстрировать, почему в реальных системах термических измерений важны как технология оптического зондирования, так и позиционирование зонда.

Чтобы выбрать систему, ознакомьтесь с предложениями компании INNO решения для мониторинга температуры с использованием оптоволоконных технологий, многоканальные волоконно-оптические системы измерения температуры и приложения для мониторинга силовых трансформаторов.

Связанные материалы по измерению температуры в условиях высокого напряжения

Технические справочные материалы

  • IEEE C57.165-2024 — Руководство IEEE по измерению температуры трансформаторов и реакторов с жидкостным охлаждением.
  • IEC 60076-7:2018 — Силовые трансформаторы. Часть 7. Руководство по нагрузке для силовых трансформаторов, погруженных в минеральное масло.
  • IEEE C57.91-2025 — Руководство IEEE по нагрузке трансформаторов, погруженных в минеральное масло, и ступенчатых регуляторов напряжения.
  • Журнал «IEEE Sensors Journal», 2008 г. — Многоточечная оптоволоконная сеть обнаружения горячих точек, встроенная в трансформатор высокой мощности для непрерывного мониторинга.
  • Китайская международная конференция по распределению электроэнергии, 2014 г. — Онлайн-мониторинг температуры в горячих точках с использованием оптоволоконных датчиков в масляном трансформаторе напряжением 110 кВ.
  • IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2023 — Оценка тепловых характеристик силового трансформатора и позиционирования оптического датчика с использованием CFD-моделирования и испытаний на повышение температуры.