摘要:介紹了熱缺陷檢測系統的技術(shù)原理、功能。對內蒙古某變電站35kV開(kāi)關(guān)柜熱缺陷檢測系統的應用情況進(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，能夠在設計距離內通過(guò)非接觸手段獲得監測節點(diǎn)的溫度數據，實(shí)現對高壓開(kāi)關(guān)柜中斷路器觸頭和電纜接頭溫度的實(shí)時(shí)監測。系統的應用可有效監測并預警開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱故障，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)柜；熱缺陷檢測系統；在線(xiàn)監測；溫度傳感器；接收終端；無(wú)線(xiàn)通信
近年來(lái)，內蒙古電網(wǎng)的高壓開(kāi)關(guān)柜在高負荷運行過(guò)程中，局部過(guò)熱、超溫等現象時(shí)有發(fā)生，導致運行中高壓開(kāi)關(guān)柜故障。部分故障是因開(kāi)關(guān)柜本身存在質(zhì)量問(wèn)題引起的，更主要的原因在于針對高壓開(kāi)關(guān)柜的監測缺乏有效的手段。
目前，內蒙古電網(wǎng)內各*和發(fā)電企業(yè)對高壓開(kāi)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(kāi)關(guān)柜內的溫度數據。由于密閉式高壓開(kāi)關(guān)柜結構相對復雜，元件間互有遮擋，紅外測溫儀往往無(wú)法測得準確的溫度數據，且人工方法不能實(shí)現及時(shí)監測和提前預警，一旦出現問(wèn)題將引起設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(huì )影響。
1.高壓開(kāi)關(guān)柜測溫方式
1.1現有的測溫方式
針對人工巡檢的不足，各科研院所和生產(chǎn)廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)了一系列新型的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監測裝置，一定程度上克服了人工巡檢的弱點(diǎn)。根據測溫原理，大致可以分為以下幾類(lèi)。
1.1.1傳統接觸式測溫
采用傳統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(xiàn)上，電源通過(guò)感應線(xiàn)圈從高壓母線(xiàn)獲得，通過(guò)金屬導線(xiàn)傳輸信號。
1.1.2紅外探頭測溫
在開(kāi)關(guān)柜柜體安裝若干紅外測溫探頭，通過(guò)接收電觸頭的紅外輻射信號來(lái)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(guò)光纜連接到安裝于柜體的光纖解調器，由光纖解調器輸出對應的溫度數據[1]。
1.1.4無(wú)線(xiàn)測溫
基于無(wú)線(xiàn)測溫的熱缺陷檢測系統集計算機、通信、抗電磁干擾、數字傳感及工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)于一體，系統由無(wú)線(xiàn)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(jiàn)圖1）。
系統將無(wú)線(xiàn)溫度傳感器直接安裝在高壓觸點(diǎn)上，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將信號傳送至無(wú)線(xiàn)接收終端，接收裝置經(jīng)信號處理解碼后將溫度數據傳送至主控計算機管理裝置進(jìn)行分析處理。管理裝置自動(dòng)生成監測點(diǎn)時(shí)間段的溫度變化趨勢、歷史事件統計以及所需的曲線(xiàn)圖和數據表，供運行人員參考分析。
1.2測溫方法比較分析
與熱缺陷檢測系統相比，其他幾種測溫方式具有以下的局限性。
（1）傳統接觸式測溫方式需要將溫度檢測器和獲取電源的感應線(xiàn)圈安裝于高壓母線(xiàn)上，溫度傳感器需要金屬導線(xiàn)傳輸信號，開(kāi)關(guān)柜內部空間狹小，安裝較為困難，且有可能減小開(kāi)關(guān)柜內部的絕緣凈距，無(wú)法保證絕緣性能的穩定，因此不能在高壓開(kāi)關(guān)柜內的觸點(diǎn)和電纜接頭上使用。
（2）紅外探頭測溫方式容易受開(kāi)關(guān)柜內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(xiàn)測溫。
（3）光纖測溫方式目前應用較多，光纖式溫度測量?jì)x采用光纖傳遞信號，光纖具有易折、易斷、不耐高溫的缺點(diǎn)，在柜內布線(xiàn)難度較大，且造價(jià)較高，施工和檢修困難，不適用于配電柜內裝置測溫[2]。
2.熱缺陷檢測系統的工作原理
2.1無(wú)線(xiàn)溫度傳感器（探頭）
每個(gè)溫度探頭具有ID號，無(wú)線(xiàn)傳感器發(fā)送被監測點(diǎn)溫度的同時(shí)，也傳輸自身的ID號，通過(guò)控制單元完成溫度探頭地址數據和溫度數據的發(fā)射輸出。傳感器與測溫終端之間采用無(wú)線(xiàn)連接，在復雜的高壓環(huán)境下不需增加額外線(xiàn)路，既方便了系統的安裝與維護，也減少了對設備安全運行的影響。
2.2無(wú)線(xiàn)接收終端
接收終端總體結構見(jiàn)圖2所示，主要包括無(wú)線(xiàn)接收模塊、控制模塊和電源模塊3部分[3]。其中無(wú)線(xiàn)接收模塊主要用于接收溫度探頭的無(wú)線(xiàn)發(fā)送數據；控制模塊主要用于完成數據接收、狀態(tài)管理、參數配置和數據更新等功能；電源模塊主要負責將220V交流電轉換為＋9V直流電，分別給無(wú)線(xiàn)接收模塊和控制模塊供電。另外，為了消除高壓開(kāi)關(guān)柜在事故發(fā)生瞬間產(chǎn)生的強烈干擾，在各環(huán)節的設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，系統需避開(kāi)這一頻帶的頻率，采用ISM頻段作為工作頻率進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳送。
(2)為了保證數據傳輸的正確性，在通信碼流中增加校驗碼。
(3)利用無(wú)線(xiàn)傳感器ID號具有特點(diǎn)，提出1種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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節電路，通過(guò)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(wú)線(xiàn)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(guò)在該計算機上運行軟件，用來(lái)定時(shí)讀取從通信終端收集的溫度和ID數據，并寫(xiě)入本地硬盤(pán)作長(cháng)期保存。主要功能有以下幾個(gè)方面。
開(kāi)關(guān)柜監測點(diǎn)巡查功能。值班人員根據需要進(jìn)行功能選擇，所有隱患點(diǎn)和工作不正常的測溫探頭位置將在屏幕上直接顯示出來(lái)。
開(kāi)關(guān)柜監測點(diǎn)溫度變化趨勢分析功能。通過(guò)對以往60d的數據分析，預測出可能出現故障的監測點(diǎn)，使傳統的“故障檢修”升級為“狀態(tài)檢修”成為可能。
開(kāi)關(guān)柜監測點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)圖生成功能。用戶(hù)既可以查看單個(gè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，也可以同時(shí)比較任意1組三相線(xiàn)路的溫度變化曲線(xiàn)。
系統通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )可將測溫工作站與上級辦公系統連接起來(lái)，實(shí)時(shí)查看各變電站監測點(diǎn)溫度數據，及時(shí)制定安全生產(chǎn)措施，提出工作指導。
3.系統的應用過(guò)程分析
3.1測溫點(diǎn)分布
內蒙古某變電站35kV開(kāi)關(guān)柜在運行過(guò)程中，曾多次因局部過(guò)熱引起開(kāi)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(wú)線(xiàn)測溫原理的熱缺陷檢測系統。該變電站35kV高壓配電室分4段母線(xiàn)、共29個(gè)開(kāi)關(guān)柜，母線(xiàn)一段和母線(xiàn)二段8個(gè)柜各安裝6個(gè)測溫點(diǎn)，分別監測開(kāi)關(guān)下觸頭和電纜接頭溫度；母線(xiàn)三段和母線(xiàn)四段8個(gè)柜各安裝3個(gè)測溫點(diǎn)，監測電纜接頭溫度，共72個(gè)測溫點(diǎn)，需2臺接收終端進(jìn)行管理。2臺接收終端可實(shí)時(shí)發(fā)送測點(diǎn)溫度信息至變電站主控室的計算機，實(shí)現遠程監測。
3.2測量及傳輸性能校驗
熱缺陷檢測系統通過(guò)接觸式傳感器測量溫度，發(fā)出無(wú)線(xiàn)信號給接收終端。為了確保發(fā)送數據的準確性和信號傳輸的可靠性，對熱缺陷檢測系統在不同工作環(huán)境下進(jìn)行了校驗，熱缺陷檢測系統校驗數據見(jiàn)表1所示。試驗結果表明，在不同的工作環(huán)境和接收距離下，熱缺陷檢測系統都可以準確識別和接收探頭發(fā)出的溫度信號。系統接收溫度信息的抗干擾能力較強，可滿(mǎn)足電力系統高壓帶電設備的溫度監測要求。
表1熱缺陷檢測系統校驗數據
3.3系統安裝
系統現場(chǎng)安裝前，需先收集該變電站35kV開(kāi)關(guān)柜圖紙、技術(shù)資料和相關(guān)參數，實(shí)測變電站35kV開(kāi)關(guān)柜內安裝尺寸，確定傳感器安裝位置和熱缺陷檢測系統的安裝方案。經(jīng)對歷史故障數據比對分析，發(fā)現封閉的高壓開(kāi)關(guān)柜內易發(fā)熱部位是斷路器觸頭接觸處和出線(xiàn)電纜接頭處，因此傳感器安裝位置定位在上述2個(gè)部位。用于監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(guò)綁帶固定在拐臂上（見(jiàn)圖3）；電纜接頭處的傳感器通過(guò)夾具與螺絲固定（見(jiàn)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(gè)溫度傳感器實(shí)現傳輸通信，保證對柜內測溫傳感器信號接收的可靠性和擴展性。
為了確保測溫系統在運行電壓下可靠運行，依據Q/HBW14701—2008[6]，對安裝熱缺陷檢測系統的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行了交流耐壓試驗，電壓為85kV，持續時(shí)間1min，試驗通過(guò)，試驗結果合格。
3.4監測功能及效果
3.4.1功能
35kV開(kāi)關(guān)柜熱缺陷檢測系統主界面見(jiàn)圖5。該系統主界面顯示每個(gè)監測開(kāi)關(guān)柜中測溫點(diǎn)，通過(guò)主界面可以對運行中任意1個(gè)開(kāi)關(guān)柜的運行溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)進(jìn)行查詢(xún)，完成對數據的處理、維護、報警設定和用戶(hù)管理等功能。
圖6是某開(kāi)關(guān)柜一段時(shí)間內的溫度曲線(xiàn)查詢(xún)示意圖。根據溫度曲線(xiàn)可以確定溫度報警值，設定系統的報警值為60℃，超過(guò)報警值系統就會(huì )發(fā)出報警信號，及時(shí)提醒運行人員采取相關(guān)措施。通過(guò)對曲線(xiàn)分析和關(guān)鍵點(diǎn)部位溫度的監測，能夠確定設備是否有發(fā)生故障的趨勢，了解設備運行狀況。
3.4.2經(jīng)濟型分析
熱缺陷檢測系統的應用可以有效避免開(kāi)關(guān)柜因過(guò)熱引發(fā)停電、短路故障。以過(guò)熱故障每10a引起1臺120MVA主變壓器損壞、返廠(chǎng)檢修費用平均為280萬(wàn)元、檢修時(shí)間至少需30d、電費按0.35元/kWh計算，則電量損失為3024萬(wàn)元，平均每年可節約330.4萬(wàn)元，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。
3.5應用中存在的問(wèn)題
（1）傳感器的通用性差?？筛倪M(jìn)現有傳感器尺寸，提高其通用性，便于現場(chǎng)安裝。
（2）內部電池的制約?？筛鶕O備在線(xiàn)工作的特點(diǎn)，研發(fā)利用電流的感應能量為測溫探頭供電的無(wú)源溫度傳感器，提高無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)溫度傳感器
安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸的傳感器。
目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有三款：
b. CT感應取電無(wú)線(xiàn)溫度傳感器
安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點(diǎn)等大電流處，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸的傳感器。
目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有兩款：
安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫就地顯示配置：
ASD300/320智能操控裝置可連接12路無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，ARTM-Pn無(wú)線(xiàn)測溫裝置可連接18路無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，無(wú)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(diǎn)）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點(diǎn)捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜/銅排等搭接點(diǎn)也常選用）。
無(wú)線(xiàn)測溫帶操顯功能（就地顯示）
Acrel-2000T/B無(wú)線(xiàn)測溫壁掛式監控設備，內存4G,硬盤(pán)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(shí)時(shí)顯示溫度分布以及報警等詳細參數。
無(wú)線(xiàn)測溫采集設備配置方案
5.結束語(yǔ)
35 kV 開(kāi)關(guān)柜熱缺陷檢測系統可以從根本上解決長(cháng)期以來(lái)封閉式高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度在線(xiàn)監測、預警預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(kāi)關(guān)柜熱缺陷檢測的不足，為電網(wǎng)開(kāi)展開(kāi)關(guān)柜及變電站高壓電氣設備的在線(xiàn)測溫工作提供科學(xué)依據和有效手段。
【參考文獻】
[1]金振東，許箴，金峰，等.國內高壓帶電設備測溫方式綜述及分析[J].電力設備，2007，8（12）：57-61.
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版.
