王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：基于感應(yīng)取電和無線通信技術(shù)，結(jié)合隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行在線測溫相關(guān)技術(shù)的理論分析與驗證，解決在高電壓強電磁環(huán)境中在線測溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸、傳感器工作能源供給、設(shè)備高可靠性等方面的難題，通過溫升試驗，分析隔離開關(guān)不同影響因素作用下的觸頭溫度分布，在試驗研究隔離開關(guān)不同觸頭材料和缺陷情況下的回路電阻，以及回路電阻與接觸溫度的對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，研制出相應(yīng)的在線測溫裝置，并在運行的戶外高壓隔離開關(guān)上進(jìn)行應(yīng)用。提出適用于隔離開關(guān)的低成本有效率的觸頭溫度實時監(jiān)測技術(shù)，對及時發(fā)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)觸頭的異常發(fā)熱缺陷，對保證設(shè)備安全運行、提高供電可靠性具有重要意義。
關(guān)鍵詞：高壓隔離開關(guān)；鉑電阻；無源無線；實時監(jiān)測；測溫系統(tǒng)
0引言
近年來，隨著中國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入推進(jìn)，對電網(wǎng)設(shè)備智能化和運行可靠性的要求越來越高。隔離開關(guān)是電網(wǎng)中裝用量大的高壓開關(guān)設(shè)備，運行環(huán)境惡劣、電壓高、電流大，觸頭溫度會對其運行可靠性產(chǎn)生重要的影響。在電網(wǎng)運行過程中，由于敞開式隔離開關(guān)的觸頭受外界環(huán)境影響較大，因接觸面不潔、觸頭氧化、電弧沖擊、機械變形松動、合閘不到位、過負(fù)荷等原因造成觸頭接觸條件惡化，導(dǎo)致觸頭過熱燒毀甚至停電的事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。文獻(xiàn)顯示，隔離開關(guān)故障、缺陷中，發(fā)熱問題占60%以上，因此，對隔離開關(guān)的觸頭溫度進(jìn)行測量，預(yù)防隔離開關(guān)的過熱性故障。
目前常用的測溫方法主要有接觸式測溫、非接觸式測溫（如紅外線測溫等）、光纖測溫等。接觸式測溫通過熱傳導(dǎo)直接測量被測物體的溫度，主要采用熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度監(jiān)測方法，傳統(tǒng)的熱電偶或熱電阻測溫方法技術(shù)成熟，性能可靠，測溫精度高，但無源化和無線通信力的問題還有待解決。紅外測溫技術(shù)主要基于被測物體的紅外特征，應(yīng)用紅外成像儀或紅外測溫儀進(jìn)行非接觸測量，主要用于線路巡檢，變電站高壓設(shè)備例行巡檢，但紅外線穿透力弱，需要近距離測量，很大程度上限制了紅外成像儀在高壓戶外設(shè)備上的應(yīng)用。光纖測溫是將光纖纏繞在被測設(shè)備的表面，以光作為溫度變化的載體，采用有線通信方式，把測得的溫度信息傳給監(jiān)測中心，對于戶外高壓開關(guān)而言，存在安全隱患。
本文結(jié)合隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)、工作原理開展在線測溫相關(guān)技術(shù)的理論分析與試驗驗證，解決在高電壓強電磁環(huán)境中在線測溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無線傳輸、傳感器工作的能源供給、設(shè)備高可靠性等方面的難題，并研制出相應(yīng)的在線測溫裝置在運行的戶外高壓隔離開關(guān)上實現(xiàn)應(yīng)用。
1無源無線高壓隔離開關(guān)測溫系統(tǒng)
高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中裝用量大、應(yīng)用廣泛的高壓開關(guān)設(shè)備，根據(jù)中國電力科學(xué)研究院有限公司統(tǒng)計的國家電網(wǎng)公司高壓開關(guān)設(shè)備裝用情況，72.5kV及以上電壓等級的高壓隔離開關(guān)裝用量是高壓斷路器裝用量的4倍左右，且價格相對較低，運行環(huán)境為高電壓、大電流、強電磁場，長期暴露于戶外面臨各種惡劣天氣，鑒于以上應(yīng)用需求，本文研究了一種低成本、效率、環(huán)境適應(yīng)性能好的高壓隔離開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線測溫終端、數(shù)據(jù)集中處理器和后臺監(jiān)控中心3部分組成，如圖1所示。
圖1無源無線高壓隔離開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)
無線測溫裝置的研發(fā)涉及電流互感器(TA)取電裝置的設(shè)計、鉑(Pt)電阻溫度傳感器溫度信號監(jiān)測、模擬信號采集及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)無線通信采集等各種技術(shù)。為了提高測溫系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和運行可靠性，項目設(shè)計時盡量采用集成芯片，減少分立元器件數(shù)量，對系統(tǒng)的每一部分都要周密考慮、精心設(shè)計，從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始端到末端逐個環(huán)節(jié)進(jìn)行問題分析，根據(jù)分析結(jié)果以及經(jīng)驗給出解決問題的實用技術(shù)。
2無源無線測溫裝置
無源無線測溫技術(shù)目前常用的方法有聲表面波技術(shù)和感應(yīng)取電技術(shù)。本文采用感應(yīng)取電技術(shù)，設(shè)計的無線無源測溫裝置主要由感應(yīng)取電裝置、Pt電阻溫度傳感器測溫單元和無線發(fā)射電路組成。本裝置通過充分運用單片機內(nèi)部資源，對多種參數(shù)測量、處理和傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究，設(shè)計了一套基于TA取電、信號采集、信號處理、無線通信的無線測溫裝置，如圖2所 示。
感應(yīng)取電裝置的原理是利用電磁波進(jìn)行能量無線傳遞，并通過控制和調(diào)理電路實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出；溫度檢測電路主要檢測來自Pt電阻的溫度數(shù)據(jù)；無線發(fā)射電路將溫度數(shù)據(jù)通過433MHz無線方式傳送至數(shù)據(jù)集中處理器，無線通信距離達(dá)300m。系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖如圖3所示。
圖2無線無源測溫裝置外形
圖3系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖
2.1感應(yīng)取電技術(shù)
感應(yīng)取電裝置與溫度檢測電路采用一體化設(shè)計，安裝時固定在高壓導(dǎo)體上，并將高壓導(dǎo)體穿過取能傳感器，為便于安裝，本文將取能傳感器設(shè)計為卡扣式。取能傳感器通過電磁感應(yīng)提供穩(wěn)定的電源輸出，并且通過控制和調(diào)理電路在短路電流及沖擊電流下實現(xiàn)自我保護(hù)，從而實現(xiàn)長期低熱耗穩(wěn)定運行，是解決高壓設(shè)備智能化傳感器供能難題的較好選擇。
感應(yīng)取電技術(shù)原理與電流互感器類似，能夠很好地解決傳感器的供電問題，且體積小、安裝方便。感應(yīng)取電裝置的電路主要包括隔離穩(wěn)壓電路、取電調(diào)節(jié)保護(hù)電路和整流濾波模塊。取電線圈從高壓導(dǎo)體上感應(yīng)出交流電壓，經(jīng)過3個電路的調(diào)理后，可以輸出穩(wěn)定的直流電壓給測溫傳感器使用。其原理如圖4所示。
感應(yīng)取電裝置通過取能互感器從高壓導(dǎo)體上獲取電能，但電壓和電流擾動較大，所以設(shè)計了取電電源模塊，對其進(jìn)行整流濾波處理并實現(xiàn)隔離穩(wěn)壓輸出。取電電源模塊內(nèi)設(shè)置取電調(diào)節(jié)保護(hù)電路，不僅能實時調(diào)節(jié)和限制輸入模塊的電能，而且能吸收因雷擊等特殊情況引起的瞬間大電流，保證取電電源模塊在高壓導(dǎo)體電流不穩(wěn)定時仍能輸出穩(wěn)定的電壓。
圖4感應(yīng)取電原理
影響取能互感器輸出功率的因素有2點：（1）高壓導(dǎo)體上的電流大小；（2）取能裝置的輸出功率。電流越大，取能裝置輸出的功率也越大；另外，取電電源模塊輸出電壓越大，輸出總功率也越大。
感應(yīng)取電裝置可以根據(jù)高壓導(dǎo)體的電流大小和測溫傳感器所需的功率調(diào)節(jié)工作模式，3種工作模式主要有待機模式、間斷工作模式、正常工作模式。
（1）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體的電流非常小，不能提供模塊啟動所需消耗的電能時，取電裝置會處于待機狀態(tài)，此時輸出電壓為零，為待機模式，這種情況下隔離開關(guān)一般為停電狀態(tài)，不需要測溫。
（2）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體有一定的電流，可以支持模塊啟動，但不足以長期支持測溫傳感器正常工作時，取電裝置會處于間斷工作狀態(tài)，此時輸出電壓值為額定輸出電壓和OV跳躍變化的方波，為間斷工作模式，這種情況下隔離開關(guān)可能處于調(diào)試或者試驗狀態(tài)。
（3）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體的電流足夠大，可以支持測溫傳感器長期工作時，取電裝置正常輸出測溫傳感器所需的功率，輸出穩(wěn)定的電壓，為正常工作模式，這種情況下隔離開關(guān)處于正常運行狀態(tài)，需實時監(jiān)測溫度。
2.2 Pt電阻溫度傳感器接觸式測溫單元
采用基于Pt電阻的無源無線溫度監(jiān)測裝置，可實現(xiàn)變電站隔離開關(guān)易發(fā)熱部位溫度實時在線監(jiān)測。在隔離開關(guān)的導(dǎo)電臂上埋設(shè)熱電偶或熱電阻等測溫傳感器進(jìn)行溫度測量，這種方法是接觸式測溫，其測量度高，測量范圍大，不受中間介質(zhì)影響，可以實現(xiàn)微功耗測量。
Pt100是一種廣泛應(yīng)用的金屬熱電阻，在–50~600℃時測溫精度高，穩(wěn)定性好。本文從測溫系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，為降低開發(fā)成本、擴大適用范圍，設(shè)計了一種以Pt電阻為溫度信號采集元件的接觸式傳感器溫度測量系統(tǒng)。
Pt電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，本文通過對Pt測溫方法的研究，以運算放大器電路為校正補償方法，結(jié)合線性插值軟校正方法，進(jìn)行非線性校正，有效地解決Pt電阻測溫電路的非線性誤差問題，提高了測量精度，測溫電路如圖5所示。Pt電阻采用PC工程塑料封裝，抗高強度跌落和震動，防浸泡、防沖擊，滿足工業(yè)環(huán)境要求。
圖5兩線制接法橋式測溫電路
2.3無線發(fā)射電路測溫裝置數(shù)據(jù)采集方案
本文研制的測溫裝置通過安裝在高壓隔離開關(guān)觸頭上的Pt100溫度傳感器，連續(xù)測量隔離開關(guān)觸頭溫度，對觸頭的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過433MHz無線通信方式發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器處理，數(shù)據(jù)集中處理器顯示當(dāng)前溫度，并把測量結(jié)果通過無線通信上傳到監(jiān)控中心，由后臺監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測。
3數(shù)據(jù)集中處理器和后臺監(jiān)控中心
監(jiān)控中心接收到各個監(jiān)測點的現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，分析確定各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)是否正常。當(dāng)有數(shù)據(jù)異常發(fā)生，及時給出相關(guān)提示，并通過局域網(wǎng)傳送到監(jiān)控中心，保存到數(shù)據(jù)庫中，同時顯示在不同的計算機屏幕上，并且根據(jù)告警情況提示告警，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到不同的工作站上。
根據(jù)DL/T664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》和《變電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)缺陷庫》，高壓隔離開關(guān)過熱缺陷可分為3類：（1）危急缺陷：隔離開關(guān)過熱點溫度超過DL/T593—2016《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》規(guī)定的允許溫度的缺陷；（2）嚴(yán)重缺陷：設(shè)備過熱程度較重，溫差較大、溫度場分布梯度較大的缺陷；（3）一般缺陷：有一定溫差，溫度場有一定梯度，但不會引起事故的缺陷。
根據(jù)DL/T664—2016和DL/T593—2016要求，綜合分析提出隔離開關(guān)過熱缺陷判斷依據(jù)如下：（1）具有合格鍍銀層的隔離開關(guān)觸頭，溫度＞90℃為嚴(yán)重缺陷，溫度>130℃為危急缺陷；（2）接頭和線夾，溫度＞80℃為嚴(yán)重缺陷，溫度＞110℃為危急缺陷；（3）裸銅、裸銅合金或涂有不合格鍍銀層的隔離開關(guān)觸頭，溫度＞65℃為嚴(yán)重缺陷，溫度＞105℃為危急缺陷。
根據(jù)上述判據(jù)，在后臺監(jiān)控中心設(shè)置報警閾值，對變電站高壓隔離開關(guān)觸頭等易發(fā)熱部位實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)溫度異常時進(jìn)行預(yù)警，能夠有效杜絕變電站火災(zāi)或停電事故的發(fā)生。
4試驗驗證
文獻(xiàn)顯示，隔離開關(guān)導(dǎo)電回路發(fā)熱部位主要集中在觸頭接觸部位，導(dǎo)致發(fā)熱的原因主要有：（1）觸頭接觸面鍍層脫落，導(dǎo)體腐蝕或表面臟污引起的接觸不良；（2）觸頭材質(zhì)不良，接觸電阻變大，導(dǎo)致觸頭發(fā)熱；（3）合閘不到位，觸頭夾緊力不足，導(dǎo)致觸頭發(fā)熱。
本文依托GW6-252型隔離開關(guān)（見圖6），根據(jù)隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱原因，人為設(shè)置了3類缺陷，進(jìn)行了不同觸頭材質(zhì)、不同表面臟污程度、不同夾緊力的溫升試驗，通過大量實際測試，驗證無源無線實時溫度監(jiān)測裝置的各項性能，并得出了不同缺陷情況下隔離開關(guān)溫度變化曲線，如圖7~9所示。
由圖7可知：在夾緊力為400~600N時，接觸電阻變化不明顯，從25.8℃變化為26.3℃；夾緊力為200N附近時，溫升有了一定的提高。夾緊力會影響動靜觸頭接觸面積，而接觸面積變小，使接觸電阻變大，導(dǎo)致溫度微弱的提升。
圖6GW6B-252隔離開關(guān)試驗平臺
圖7不同夾緊力熱點溫升
圖8不同污穢、不同夾緊力熱點溫升
圖9不同蝕點程度熱點溫升
從圖8可以明顯看出，相較于表面狀態(tài)正常情況下接觸壓力對溫升的影響，污穢缺陷對熱點溫升有顯著的影響。
由圖9看出：在輕度蝕點情況下，熱點的穩(wěn)態(tài)溫升為26.6℃；在重度蝕點的情況下，熱點的穩(wěn)態(tài)溫升為27.1℃。由此說明，蝕點對GW6B型隔離開關(guān)的穩(wěn)態(tài)溫升影響不大，原因是GW6B型隔離開關(guān)閉合時接觸面積比較大，蝕點對應(yīng)的面積相較于實際接觸的面積很小，對接觸電阻的影響也很小。在外加相同電流的情況下，熱點的穩(wěn)態(tài)溫升和正常情況下的溫升情況接近。
5安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)及在線測溫產(chǎn)品介紹
5.1概述
開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于470MHz無線測溫技術(shù)開發(fā)的針對開關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統(tǒng)，可對開關(guān)柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，方便運維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場設(shè)備運行情況。
5.2應(yīng)用場所
變電所，配電室，箱變等
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由無線溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監(jiān)測預(yù)警工作站三部分組成，
5.4系統(tǒng)功能
5.4.1實時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
5.4.2溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：
5.4.3運行報表
查詢各回路設(shè)備運行溫度報表。
5.4.4實時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設(shè)備提供以下幾種告警方式：
1）彈出事件報警窗口。
2）實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。
3）短信警告。可以向手機發(fā)送告警信息短信。
5.4.5歷史告警查詢
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
5.4.6用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
5.4.7定值設(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
WEB，手機APP（可選）：
通過手機APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。
5.5.產(chǎn)品選型
5.5.1無線測溫傳感器選型
5.5.2收發(fā)器選型
5.5.3測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型
5.6典型配置方案
5.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ARTM-Pn通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收60只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實例
5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫帶操顯功能（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ASD320通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收12只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實例
5.6.3高低壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫（集中就地顯示/就地?zé)o顯示）
a）配置方案
說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。
b）安裝實例
5.6.4就地壁掛式集中顯示方案（適用于改造，不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場）
方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：
說明：Acrel-2000/A通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
方案二：Acrel-2000T/B就地集中顯示：
說明：Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實現(xiàn)集中顯示，還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(guān)就地顯示裝置實現(xiàn)集中顯示，同時還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機保護(hù)、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。
5.6.5低壓電氣接點有線測溫、變壓器繞組測溫
a）配置方案
說明：ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器，有線連接，Pt100傳感器客戶自配，測量低壓電氣接點時Pt100傳感器需做好絕緣處理。
b）安裝實例
6結(jié)語
通過將無線測溫終端與感應(yīng)取電裝置安裝在高壓隔離開關(guān)上，由感應(yīng)取電裝置通過電磁互感的方式從高壓隔離開關(guān)上獲取電能，并提供給無線測溫終端，對高壓導(dǎo)體電流變化適應(yīng)能力強，實現(xiàn)無線測溫的無源化，提高了安全性。無線測溫終端內(nèi)的Pt電阻溫度傳感器與高壓隔離開關(guān)直接接觸，對于目前應(yīng)用較多的非接觸、非實時監(jiān)測的紅外測溫方式來說，更加有效準(zhǔn)確；相比光纖有線測溫方式，環(huán)境適應(yīng)性更強。通過數(shù)據(jù)集中處理器擴大無線測溫終端與后臺監(jiān)控中心的通信范圍，可以容納多臺終端同時進(jìn)行測溫，實時性高。本文的研究成果適用于變電站高壓隔離開關(guān)的實時溫度監(jiān)控，具有精度高、低成本、直觀可靠以及安裝方便等優(yōu)點。
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