淺談基于鉑電阻的高壓隔離開關無源無線測溫系統
更新時間：2022-01-05
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淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：基于感應取電和無線通信技術，結合隔離開關的結構、工作原理進行在線測溫相關技術的理論分析與驗證，解決在高電壓強電磁環境中在線測溫系統的數據無線傳輸、傳感器工作能源供給、設備高可靠性等方面的難題，通過溫升試驗，分析隔離開關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關系的基礎上，研制出相應的在線測溫裝置，并在運行的戶外高壓隔離開關上進行應用。提出適用于隔離開關的低成本有效率的觸頭溫度實時監測技術，對及時發現高壓隔離開關觸頭的異常發熱缺陷，對保證設備安全運行、提高供電可靠性具有重要意義。
關鍵詞：高壓隔離開關；鉑電阻；無源無線；實時監測；測溫系統
0引言
近年來，隨著中國智能電網建設的不斷深入推進，對電網設備智能化和運行可靠性的要求越來越高。隔離開關是電網中裝用量大的高壓開關設備，運行環境惡劣、電壓高、電流大，觸頭溫度會對其運行可靠性產生重要的影響。在電網運行過程中，由于敞開式隔離開關的觸頭受外界環境影響較大，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、過負荷等原因造成觸頭接觸條件惡化，導致觸頭過熱燒毀甚至停電的事故時有發生，嚴重影響電網的安全穩定運行。文獻顯示，隔離開關故障、缺陷中，發熱問題占60%以上，因此，對隔離開關的觸頭溫度進行測量，預防隔離開關的過熱性故障。
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直接測量被測物體的溫度，主要采用熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等溫度監測方法，傳統的熱電偶或熱電阻測溫方法技術成熟，性能可靠，測溫精度高，但無源化和無線通信抗干擾的能力的問題還有待解決。紅外測溫技術主要基于被測物體的紅外特征，應用紅外成像儀或紅外測溫儀進行非接觸測量，主要用于線路巡檢，變電站高壓設備例行巡檢，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備上的應用。光纖測溫是將光纖纏繞在被測設備的表面，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測中心，對于戶外高壓開關而言，存在安全隱患。
本文結合隔離開關的結構、工作原理開展在線測溫相關技術的理論分析與試驗驗證，解決在高電壓強電磁環境中在線測溫系統數據的無線傳輸、傳感器工作的能源供給、設備高可靠性等方面的難題，并研制出相應的在線測溫裝置在運行的戶外高壓隔離開關上實現應用。
1無源無線高壓隔離開關測溫系統
高壓隔離開關是電力系統中裝用量大、應用廣泛的高壓開關設備，根據中國電力科學研究院有限公司統計的電網公司高壓開關設備裝用情況，72.5kV及以上電壓等級的高壓隔離開關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，鑒于以上應用需求，本文研究了一種低成本、效率、抗干擾的能力強、環境適應性能好的高壓隔離開關溫度監測系統。該系統由無線測溫終端、數據集中處理器和后臺監控中心3部分組成，如圖1所示。
圖1無源無線高壓隔離開關溫度監測系統
無線測溫裝置的研發涉及電流互感器(TA)取電裝置的設計、鉑(Pt)電阻溫度傳感器溫度信號監測、模擬信號采集及數據處理、數據無線通信采集等各種技術。為了提高測溫系統的環境適應性和運行可靠性，項目設計時盡量采用集成芯片，減少分立元器件數量，對系統的每一部分都要周密考慮、精心設計，從數據采集系統始端到末端逐個環節進行問題分析，根據分析結果以及經驗給出解決問題的實用技術。
2無源無線測溫裝置
無源無線測溫技術目前常用的方法有聲表面波技術和感應取電技術。本文采用感應取電技術，設計的無線無源測溫裝置主要由感應取電裝置、Pt電阻溫度傳感器測溫單元和無線發射電路組成。本裝置通過充分運用單片機內部資源，對多種參數測量、處理和傳輸等進行了研究，設計了一套基于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。
感應取電裝置的原理是利用電磁波進行能量無線傳遞，并通過控制和調理電路實現穩定電壓輸出；溫度檢測電路主要檢測來自Pt電阻的溫度數據；無線發射電路將溫度數據通過433MHz無線方式傳送至數據集中處理器，無線通信距離達300m。系統總體方案設計框圖如圖3所示。
圖2無線無源測溫裝置外形 
圖3系統總體方案設計框圖
2.1感應取電技術
感應取電裝置與溫度檢測電路采用一體化設計，安裝時固定在高壓導體上，并將高壓導體穿過取能傳感器，為便于安裝，本文將取能傳感器設計為卡扣式。取能傳感器通過電磁感應提供穩定的電源輸出，并且通過控制和調理電路在短路電流及沖擊電流下實現自我保護，從而實現長期低熱耗穩定運行，是解決高壓設備智能化傳感器供能難題的較好選擇。
感應取電技術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。感應取電裝置的電路主要包括隔離穩壓電路、取電調節保護電路和整流濾波模塊。取電線圈從高壓導體上感應出交流電壓，經過3個電路的調理后，可以輸出穩定的直流電壓給測溫傳感器使用。其原理如圖4所示。
感應取電裝置通過取能互感器從高壓導體上獲取電能，但電壓和電流擾動較大，所以設計了取電電源模塊，對其進行整流濾波處理并實現隔離穩壓輸出。取電電源模塊內設置取電調節保護電路，不僅能實時調節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體電流不穩定時仍能輸出穩定的電壓。
圖4感應取電原理
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。
感應取電裝置可以根據高壓導體的電流大小和測溫傳感器所需的功率調節工作模式，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)當隔離開關高壓導體的電流非常小，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，此時輸出電壓為零，為待機模式，這種情況下隔離開關一般為停電狀態，不需要測溫。
(2)當隔離開關高壓導體有一定的電流，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，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可能處于調試或者試驗狀態。
(3)當隔離開關高壓導體的電流足夠大，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，輸出穩定的電壓，為正常工作模式，這種情況下隔離開關處于正常運行狀態，需實時監測溫度。
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測裝置，可實現變電站隔離開關易發熱部位溫度實時在線監測。在隔離開關的導電臂上埋設熱電偶或熱電阻等測溫傳感器進行溫度測量，這種方法是接觸式測溫，其測量度高，測量范圍大，不受中間介質影響，可以實現微功耗測量。
Pt100是一種廣泛應用的金屬熱電阻，在–50~600℃時測溫精度高，穩定性好，抗干的擾能力強。本文從測溫系統的運行穩定性、可靠性出發，為降低開發成本、擴大適用范圍，設計了一種以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。
Pt電阻的電阻值與溫度成非線性關系，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，結合線性插值軟校正方法，進行非線性校正，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，滿足工業環境要求。
圖5兩線制接法橋式測溫電路
2.3無線發射電路測溫裝置數據采集方案
本文研制的測溫裝置通過安裝在高壓隔離開關觸頭上的Pt100溫度傳感器，連續測量隔離開關觸頭溫度，對觸頭的運行狀態進行實時監測，通過433MHz無線通信方式發送給數據采集器處理，數據集中處理器顯示當前溫度，并把測量結果通過無線通信上傳到監控中心，由后臺監控中心數據庫服務器實時進行數據分析和預測。
3數據集中處理器和后臺監控中心
監控中心接收到各個監測點的現場數據后，分析確定各個監測點的數據是否正常。當有數據異常發生，及時給出相關提示，并通過局域網傳送到監控中心，保存到數據庫中，同時顯示在不同的計算機屏幕上，并且根據告警情況提示告警，將相關數據發送到不同的工作站上。
根據DL/T664—2016《帶電設備紅外診斷應用規范》和《變電設備標準缺陷庫》，高壓隔離開關過熱缺陷可分為3類：(1)危急缺陷：隔離開關過熱點溫度超過DL/T593—2016《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》規定的允許溫度的缺陷；(2)嚴重缺陷：設備過熱程度較重，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DL/T664—2016和DL/T593—2016要求，綜合分析提出隔離開關過熱缺陷判斷依據如下：(1)具有合格鍍銀層的隔離開關觸頭，溫度>90℃為嚴重缺陷，溫度>130℃為危急缺陷；(2)接頭和線夾，溫度>80℃為嚴重缺陷，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觸頭，溫度>65℃為嚴重缺陷，溫度>105℃為危急缺陷。
根據上述判據，在后臺監控中心設置報警閾值，對變電站高壓隔離開關觸頭等易發熱部位實現溫度在線監測，發現溫度異常時進行預警，能夠有效杜絕變電站火災或停電事故的發生。
4試驗驗證
文獻顯示，隔離開關導電回路發熱部位主要集中在觸頭接觸部位，導致發熱的原因主要有：(1)觸頭接觸面鍍層脫落，導體腐蝕或表面臟污引起的接觸不良；(2)觸頭材質不良，接觸電阻變大，導致觸頭發熱；(3)合閘不到位，觸頭夾緊力不足，導致觸頭發熱。
本文依托GW6-252型隔離開關(見圖6)，根據隔離開關觸頭發熱原因，人為設置了3類缺陷，進行了不同觸頭材質、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測裝置的各項性能，并得出了不同缺陷情況下隔離開關溫度變化曲線，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，導致溫度微弱的提升。
圖6GW6B-252隔離開關試驗平臺
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，熱點的穩態溫升為26.6℃；在重度蝕點的情況下，熱點的穩態溫升為27.1℃。由此說明，蝕點對GW6B型隔離開關的穩態溫升影響不大，原因是GW6B型隔離開關閉合時接觸面積比較大，蝕點對應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，熱點的穩態溫升和正常情況下的溫升情況接近。
5.5.3測溫通訊終端(溫度顯示儀)選型
5安科瑞無線測溫監控系統及在線測溫產品介紹
5.1概述
開關柜溫度在線監測系統是基于470MHz無線測溫技術開發的針對開關柜進行測溫的系統，可對開關柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進行實時監測，方便運維人員及遠程監控中心掌握現場設備運行情況。
5.2應用場所
變電所，配電室，箱變等
5.3系統架構
開關柜無線測溫系統由無線溫度傳感器、測溫通訊終端(溫度顯示儀)、溫度監測預警工作站三部分組成，
5.4系統功能
5.4.1實時監測
Acrel-2000T無線測溫監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點的溫度數據及有關故障、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
查詢各回路設備運行溫度報表。
5.4.4實時報警
壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出警告。設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，能夠對所有事件發出語音告警。
3)短信警告。可以向zhi定號碼發送告警信息短信(需選配短xin貓)。
5.4.5歷史告警查詢
Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有告警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
5.4.6用戶權限管理
Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作(如數據庫修改等)。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
5.4.7定值設置
用于修改高溫定值、超溫定值。
WEB，手機APP(可選)：
通過網zhi和手機APP展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。
5.5.產品選型
5.5.1無線測溫傳感器選型
5.5.2收發器選型
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實現開關柜溫度集中顯示，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實現開關柜溫度集中顯示，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高低壓柜內電氣接點無線測溫(集中就地顯示/就地無顯示)
a)配置方案
說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實現開關柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現場不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數據傳送到值班室的遠程溫度監控系統。
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實現開關柜溫度集中顯示，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收發器接收所有型號傳感器實現集中顯示，還可以通訊連接配電室內無線測溫相關就地顯示裝置實現集中顯示，同時還可以連接配電室內智能操控、微機保護、電力儀表等電力監控設備進行監測。
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總結
通過將無線測溫終端與感應取電裝置安裝在高壓隔離開關上，由感應取電裝置通過電磁互感的方式從高壓隔離開關上獲取電能，并提供給無線測溫終端，對高壓導體電流變化適應能力強，實現無線測溫的無源化，提高了安全性。無線測溫終端內的Pt電阻溫度傳感器與高壓隔離開關直接接觸，對于目前應用較多的非接觸、非實時監測的紅外測溫方式來說，更加有效準確；相比光纖有線測溫方式，環境適應性更強。通過數據集中處理器擴大無線測溫終端與后臺監控中心的通信范圍，可以容納多臺終端同時進行測溫，實時性高。本文的研究成果適用于變電站高壓隔離開關的實時溫度監控，具有精度高、低成本、直觀可靠以及安裝方便等優點。 參考文獻
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[3]安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2021.02月版.
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06月版.
作者簡介：淮亞利，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統的研發與應用
