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35kV開關(guān)柜熱缺陷檢測系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行了分析，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)濟效益顯著。
關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；熱缺陷檢測系統(tǒng)；在線監(jiān)測；溫度傳感器；接收終端；無線通信
近年來，內(nèi)蒙古電網(wǎng)的高壓開關(guān)柜在高負荷運行過程中，局部過熱、超溫等現(xiàn)象時有發(fā)生，導致運行中高壓開關(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*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)相對復雜，元件間互有遮擋，紅外測溫儀往往無法測得準確的溫度數(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)備嚴重損壞和停電事故，造成巨大的經(jīng)濟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]。
1.1.4無線測溫
基于無線測溫的熱缺陷檢測系統(tǒng)集計算機、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）。
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)傳送至主控計算機管理裝置進行分析處理。管理裝置自動生成監(jiān)測點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]。
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，也減少了對設(shè)備安全運行的影響。
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[3]。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；電源模塊主要負責將220V交流電轉(zhuǎn)換為＋9V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)生的強烈干擾，在各環(huán)節(jié)的設(shè)計中增加抗干擾措施[4]。
(1)變電站干擾信號的主要干擾信道在20kHz～30MHz，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行無線數(shù)據(jù)傳送。
(2)為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在通信碼流中增加校驗碼。
(3)利用無線傳感器ID號具有特點，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行雙向無線通信[5]。
2.3測溫工作站
測溫工作站為1臺工控計算機，通過在該計算機上運行軟件，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。
開關(guān)柜監(jiān)測點巡查功能。值班人員根據(jù)需要進行功能選擇，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。
開關(guān)柜監(jiān)測點溫度變化趨勢分析功能。通過對以往60d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。
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。
系統(tǒng)通過計算機網(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。
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35kV開關(guān)柜在運行過程中，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35kV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35kV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，實現(xiàn)遠程監(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)的準確性和信號傳輸?shù)目煽啃裕瑢崛毕輽z測系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下進行了校驗，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，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35kV開關(guān)柜圖紙、技術(shù)資料和相關(guān)參數(shù)，實測變電站35kV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，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展性。
為了確保測溫系統(tǒng)在運行電壓下可靠運行，依據(jù)Q/HBW14701—2008[6]，對安裝熱缺陷檢測系統(tǒng)的開關(guān)柜進行了交流耐壓試驗，電壓為85kV，持續(xù)時間1min，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
35kV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)柜中測溫點，通過主界面可以對運行中任意1個開關(guān)柜的運行溫度隨時間變化曲線進行查詢，完成對數(shù)據(jù)的處理、維護、報警設(shè)定和用戶管理等功能。
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)備運行狀況。
3.4.2經(jīng)濟型分析
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10a引起1臺120MVA主變壓器損壞、返廠檢修費用平均為280萬元、檢修時間至少需30d、電費按0.35元/kWh計算，則電量損失為3024萬元，平均每年可節(jié)約330.4萬元，經(jīng)濟效益顯著。
3.5應(yīng)用中存在的問題
（1）傳感器的通用性差。可改進現(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.安科瑞測溫產(chǎn)品介紹
a. 電池供電型無線溫度傳感器
安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/span>
目前無線溫度傳感器有三款：
b. CT感應(yīng)取電無線溫度傳感器
安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/span>
目前無線溫度傳感器有兩款：
安科瑞無線測溫就地顯示配置：
ASD300/320智能操控裝置可連接12路無線溫度傳感器，ARTM-Pn無線測溫裝置可連接18路無線溫度傳感器，無源（CT取電）方式為ATE300（捆綁式安裝），有源（電池供電）方式為ATE100（螺栓式安裝，主要用于電纜/銅排等螺絲固定的搭接點）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜/銅排等搭接點也常選用）。
無線測溫帶操顯功能（就地顯示）
Acrel-2000T/B無線測溫壁掛式監(jiān)控設(shè)備，內(nèi)存4G,硬盤128G,以太網(wǎng)口，顯示器12寸，分辨率800*600，可選Web平臺/App服務(wù)器，柜體尺寸480*420*200（單位mm），配置IPAD,安裝ACREL-2000/T軟件。就地實時顯示溫度分布以及報警等詳細參數(shù)。
無線測溫采集設(shè)備配置方案
5.結(jié)束語
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依據(jù)和有效手段。
【參考文獻】
[1]金振東，許箴，金峰，等.國內(nèi)高壓帶電設(shè)備測溫方式綜述及分析[J].電力設(shè)備，2007，8（12）：57-61.
[2]劉世欣，劉志林，王樂強，付文光，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.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11版.
