基于無線測溫的熱缺陷檢測系統(tǒng)在35kV開關(guān)柜中的應(yīng)用[圖]

摘要：介紹了熱缺陷檢測系統(tǒng)的技術(shù)原理、功能。對內(nèi)蒙古某變電站35 kV開關(guān)柜熱缺陷檢測系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析,將測溫傳感器安裝到帶電物體表面,直接測量帶電物體的溫度,能夠在設(shè)計距離內(nèi)通過非接觸手段獲得監(jiān)測節(jié)點的溫度數(shù)據(jù),實現(xiàn)對高壓開關(guān)柜中斷路器觸頭和電纜接頭溫度的實時監(jiān)測。系統(tǒng)的應(yīng)用可有效監(jiān)測并預(yù)警開關(guān)柜的發(fā)熱故障,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

近年來，內(nèi)蒙古電網(wǎng)的高壓開關(guān)柜在高負(fù)荷運(yùn)行過程中，局部過熱、超溫等現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致運(yùn)行中高壓開關(guān)柜故障。部分故障是因開關(guān)柜本身存在質(zhì)量問題引起的，更主要的原因在于針對高壓開關(guān)柜的監(jiān)測缺乏有效的手段。

目前，內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)各供電局和發(fā)電企業(yè)對高壓開關(guān)柜的檢測大多基于人工巡檢，采用手持式紅外測溫儀獲取開關(guān)柜內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)。由于密閉式高壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，元件間互有遮擋，紅外測溫儀往往無法測得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，且人工方法不能實現(xiàn)及時監(jiān)測和提前預(yù)警，一旦出現(xiàn)問題將引起設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞和停電事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。

1 高壓開關(guān)柜測溫方式

1.1 現(xiàn)有的測溫方式

針對人工巡檢的不足，各科研院所和生產(chǎn)廠家開發(fā)了一系列新型的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測裝置，一定程度上克服了人工巡檢的弱點。根據(jù)測溫原理，大致可以分為以下幾類。

1.1.1 傳統(tǒng)接觸式測溫

采用傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器（熱電偶、集成溫度傳感器等）測溫，傳感器信號處理電路安裝在高壓母線上，電源通過感應(yīng)線圈從高壓母線獲得，通過金屬導(dǎo)線傳輸信號。

1.1.2 紅外探頭測溫

在開關(guān)柜柜體安裝若干紅外測溫探頭，通過接收電觸頭的紅外輻射信號來確定其溫度。

1.1.3 光纖測溫

在電觸頭表面貼裝光纖溫度傳感器，通過光纜連接到安裝于柜體的光纖解調(diào)器，由光纖解調(diào)器輸出對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。

1.1.4 無線測溫

基于無線測溫的熱缺陷檢測系統(tǒng)集計算機(jī)、通信、抗電磁干擾、數(shù)字傳感及工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)于一體，系統(tǒng)由無線溫度傳感器（探頭）、測溫通信終端、測溫工作站及測溫管理中心組成（見圖1）。

圖1 開關(guān)柜熱缺陷檢測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)將無線溫度傳感器直接安裝在高壓觸點上，通過無線傳輸技術(shù)將信號傳送至無線接收終端，接收裝置經(jīng)信號處理解碼后將溫度數(shù)據(jù)傳送至主控計算機(jī)管理裝置進(jìn)行分析處理。管理裝置自動生成監(jiān)測點指定時間段的溫度變化趨勢、歷史事件統(tǒng)計以及所需的曲線圖和數(shù)據(jù)表，供運(yùn)行人員參考分析。

1.2 測溫方法比較分析

與熱缺陷檢測系統(tǒng)相比，其他幾種測溫方式具有以下的局限性。

（1）傳統(tǒng)接觸式測溫方式需要將溫度檢測器和獲取電源的感應(yīng)線圈安裝于高壓母線上，溫度傳感器需要金屬導(dǎo)線傳輸信號，開關(guān)柜內(nèi)部空間狹小，安裝較為困難，且有可能減小開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣凈距，無法保證絕緣性能的穩(wěn)定，因此不能在高壓開關(guān)柜內(nèi)的觸點和電纜接頭上使用。

（2）紅外探頭測溫方式容易受開關(guān)柜內(nèi)部元件對紅外輻射光路遮擋的影響，不能準(zhǔn)確測得觸頭溫度，不適用于配電裝置的在線測溫。

（3）光纖測溫方式目前應(yīng)用較多，光纖式溫度測量儀采用光纖傳遞信號，光纖具有易折、易斷、不耐高溫的缺點，在柜內(nèi)布線難度較大，且造價較高，施工和檢修困難，不適用于配電柜內(nèi)裝置測溫。

2 熱缺陷檢測系統(tǒng)的工作原理

2.1 無線溫度傳感器（探頭）

每個溫度探頭具有唯一的ID 號，無線傳感器發(fā)送被監(jiān)測點溫度的同時，也傳輸自身的ID 號，通過控制單元完成溫度探頭地址數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的發(fā)射輸出。傳感器與測溫終端之間采用無線連接，在復(fù)雜的高壓環(huán)境下不需增加額外線路，既方便了系統(tǒng)的安裝與維護(hù)，也減少了對設(shè)備安全運(yùn)行的影響。

2.2 無線接收終端

接收終端總體結(jié)構(gòu)見圖2 所示，主要包括無線接收模塊、控制模塊和電源模塊3 部分。其中無線接收模塊主要用于接收溫度探頭的無線發(fā)送數(shù)據(jù)；控制模塊主要用于完成數(shù)據(jù)接收、狀態(tài)管理、參數(shù)配置和數(shù)據(jù)更新等功能； 電源模塊主要負(fù)責(zé)將220 V交流電轉(zhuǎn)換為+9 V 直流電，分別給無線接收模塊和控制模塊供電。另外，為了消除高壓開關(guān)柜在事故發(fā)生瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)烈干擾，必須在各環(huán)節(jié)的設(shè)計中增加抗干擾措施。

圖2 接收終端結(jié)構(gòu)

（1）變電站干擾信號的主要干擾信道在20kHz~30 MHz, 系統(tǒng)需避開這一頻帶的頻率，采用ISM 頻段作為工作頻率進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳送。

（2）為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性，在通信碼流中增加校驗碼。

（3）利用無線傳感器ID 號具有唯一性的特點，提出1 種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間新的通信方法，在采樣單元和發(fā)射單元中增加間隔周期調(diào)節(jié)電路，通過控制模塊改變發(fā)射周期，使2 者之間能夠以低功耗方式進(jìn)行雙向無線通信。

2.3 測溫工作站

測溫工作站為1 臺工控計算機(jī)，通過在該計算機(jī)上運(yùn)行專用軟件，用來定時讀取從通信終端收集的溫度和ID 數(shù)據(jù)，并寫入本地硬盤作長期保存。主要功能有以下幾個方面。

（1）開關(guān)柜監(jiān)測點巡查功能。值班人員根據(jù)需要進(jìn)行功能選擇，所有隱患點和工作不正常的測溫探頭位置將在屏幕上直接顯示出來。

（2）開關(guān)柜監(jiān)測點溫度變化趨勢分析功能。通過對以往60 d 的數(shù)據(jù)分析，預(yù)測出可能出現(xiàn)故障的監(jiān)測點，使傳統(tǒng)的"故障檢修"升級為"狀態(tài)檢修"成為可能。

（3）開關(guān)柜監(jiān)測點溫度變化曲線圖生成功能。

用戶既可以查看單個點溫度隨時間的變化曲線，也可以同時比較任意1 組三相線路的溫度變化曲線。

（4）系統(tǒng)通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可將測溫工作站與上級辦公系統(tǒng)連接起來，實時查看各變電站監(jiān)測點溫度數(shù)據(jù)，及時制定安全生產(chǎn)措施，提出工作指導(dǎo)。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用過程分析

3.1 測溫點分布

內(nèi)蒙古某變電站35 kV 開關(guān)柜在運(yùn)行過程中，曾多次因局部過熱引起開關(guān)柜燒毀故障。經(jīng)研究，在該變電站35 kV 配電室安裝了基于無線測溫原理的熱缺陷檢測系統(tǒng)。該變電站35 kV 高壓配電室分4段母線、共29 個開關(guān)柜，母線一段和母線二段8 個柜各安裝6 個測溫點，分別監(jiān)測開關(guān)下觸頭和電纜接頭溫度； 母線三段和母線四段8 個柜各安裝3 個測溫點，監(jiān)測電纜接頭溫度，共72 個測溫點，需2 臺接收終端進(jìn)行管理。2 臺接收終端可實時發(fā)送測點溫度信息至變電站主控室的計算機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3.2 測量及傳輸性能校驗

熱缺陷檢測系統(tǒng)通過接觸式傳感器測量溫度，發(fā)出無線信號給接收終端。為了確保發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和信號傳輸?shù)目煽啃�，對熱缺陷檢測系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下進(jìn)行了校驗，熱缺陷檢測系統(tǒng)校驗數(shù)據(jù)見表1 所示。試驗結(jié)果表明，在不同的工作環(huán)境和接收距離下，熱缺陷檢測系統(tǒng)都可以準(zhǔn)確識別和接收探頭發(fā)出的溫度信號。系統(tǒng)接收溫度信息的抗干擾能力較強(qiáng)，可滿足電力系統(tǒng)高壓帶電設(shè)備的溫度監(jiān)測要求。

表1 熱缺陷檢測系統(tǒng)校驗數(shù)據(jù)

3.3 系統(tǒng)安裝

系統(tǒng)現(xiàn)場安裝前，需先收集該變電站35 kV 開關(guān)柜圖紙、技術(shù)資料和相關(guān)參數(shù)，實測變電站35 kV開關(guān)柜內(nèi)安裝尺寸，確定傳感器安裝位置和熱缺陷檢測系統(tǒng)的安裝方案。經(jīng)對歷史故障數(shù)據(jù)比對分析，發(fā)現(xiàn)封閉的高壓開關(guān)柜內(nèi)易發(fā)熱部位是斷路器觸頭接觸處和出線電纜接頭處，因此傳感器安裝位置定位在上述2 個部位。用于監(jiān)測斷路器觸頭溫度的傳感器安裝在斷路器下拐臂接頭處，通過綁帶固定在拐臂上（見圖3）；電纜接頭處的傳感器通過專用夾具與螺絲固定（見圖4）。2 臺接收終端分別固定在配電室西北角和西南角的墻壁上，信息傳輸距離100m, 最多可以和200 個溫度傳感器實現(xiàn)傳輸通信，保證對柜內(nèi)測溫傳感器信號接收的可靠性和擴(kuò)展性。

圖3 傳感器安裝在斷路器下拐臂處

圖4 傳感器安裝在電纜接頭處

為了確保測溫系統(tǒng)在運(yùn)行電壓下可靠運(yùn)行，依據(jù)Q/HBW14701-2008,對安裝熱缺陷檢測系統(tǒng)的開關(guān)柜進(jìn)行了交流耐壓試驗，電壓為85 kV,持續(xù)時間1 min,試驗通過，試驗結(jié)果合格。

3.4 監(jiān)測功能及效果

3.4.1 功能

35 kV 開關(guān)柜熱缺陷檢測系統(tǒng)主界面見圖5.該系統(tǒng)主界面顯示每個監(jiān)測開關(guān)柜中溫度最高的測溫點，通過主界面可以對運(yùn)行中任意1 個開關(guān)柜的運(yùn)行溫度隨時間變化曲線進(jìn)行查詢，完成對數(shù)據(jù)的處理、維護(hù)、報警設(shè)定和用戶管理等功能。

圖5 熱缺陷檢測系統(tǒng)主界面

圖6 是某開關(guān)柜一段時間內(nèi)的溫度曲線查詢示意圖。根據(jù)溫度曲線可以確定溫度報警值，設(shè)定系統(tǒng)的報警值為60 ℃，超過報警值系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號，及時提醒運(yùn)行人員采取相關(guān)措施。通過對曲線分析和關(guān)鍵點部位溫度的監(jiān)測，能夠確定設(shè)備是否有發(fā)生故障的趨勢，了解設(shè)備運(yùn)行狀況。

圖6 某開關(guān)柜溫度曲線查詢畫面

3.4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

熱缺陷檢測系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效避免開關(guān)柜因過熱引發(fā)停電、短路故障。以過熱故障每10 a 引起1 臺120 MVA 主變壓器損壞、返廠檢修費(fèi)用平均為280 萬元、檢修時間至少需30 d、電費(fèi)按0.35 元/kWh 計算，則電量損失為3 024 萬元，平均每年可節(jié)約330.4 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.5 應(yīng)用中存在的問題

（1）傳感器的通用性差�？筛倪M(jìn)現(xiàn)有傳感器尺寸，提高其通用性，便于現(xiàn)場安裝。

（2）內(nèi)部電池的制約。可根據(jù)設(shè)備在線工作的特點，研發(fā)利用電流的感應(yīng)能量為測溫探頭供電的無源溫度傳感器，提高無線溫度傳感器的技術(shù)性能。

4 結(jié)語

35 kV 開關(guān)柜熱缺陷檢測系統(tǒng)可以從根本上解決長期以來封閉式高壓開關(guān)柜的溫度在線監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報和分析等影響電網(wǎng)安全生產(chǎn)的重大難題，彌補(bǔ)高壓開關(guān)柜熱缺陷檢測的不足，為電網(wǎng)開展開關(guān)柜及變電站高壓電氣設(shè)備的在線測溫工作提供科學(xué)依據(jù)和有效手段。