淺談高壓帶電設備無(wú)線(xiàn)測溫系統的架構設計與應用

摘要：針對高壓帶電設備溫度檢測的現狀，提出采用無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)的高壓帶電設備無(wú)線(xiàn)測溫系統，從結構、組成及數據傳輸方式三方面對該系統的設計進(jìn)行分析，并說(shuō)明該系統的應用情況及效果。

關(guān)鍵詞：高壓帶電設備；無(wú)線(xiàn)測溫；無(wú)線(xiàn)中繼站；測溫終端
 
1 高壓帶電設備溫度檢測現狀
高壓帶電設備的可靠性至關(guān)重要，如果缺陷（如接觸性能不良）或故障而致使其溫度升高，不及時(shí)診 斷并排除，會(huì )導致其長(cháng)時(shí)間高溫運行，嚴重破壞絕 緣，大大縮短設備的正常運行壽命，并且會(huì )逐漸演變惡化形成事故或損壞設備，影響整個(gè)電力系統的正常工作。掌握電力設備的發(fā)熱規律及其溫升狀況， 分析各種設備缺陷及故障狀態(tài)，可有效診斷設備故障，因此，及時(shí)、準確的測出電力設備內部各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度具有重大意義。
目高壓帶電設備溫度測量的方法主要有示溫蠟片、紅外測溫、光纖測溫和無(wú)線(xiàn)測溫４種。
ａ．示溫蠟片。在高壓設備的易過(guò)熱點(diǎn)貼上熔點(diǎn)不同（不同顏色）的示溫蠟片，通過(guò)觀(guān)察示溫蠟片的熔化情況來(lái)大致確定溫度范圍，該方法準確度低、可靠性差，不能進(jìn)行定量測量，且需要人工操作，效率不高。
ｂ．紅外測溫。紅外測溫是用熱像儀或點(diǎn)溫儀對設備進(jìn)行監視，可以分為人工測量和自動(dòng)測量，人工測量只能測量當時(shí)的情況，不能實(shí)現實(shí)時(shí)監測和及時(shí)告警。自動(dòng)測量可以實(shí)現在線(xiàn)監測，但紅外 熱像儀自身結構復雜，價(jià)格昂貴、阻礙了其在電力系 統的大規模應用。
ｃ．光纖測溫。光纖溫度在線(xiàn)測溫采用光纖傳遞信號，但其運行不穩定，因為傳感器與測溫儀表之間采用光纖連接，檢修時(shí)光纜很容易被碰斷；安裝工作量大，需要改造原有設備；隔離高壓的光纖表面可能受到污染，將導致光纖沿面放電。
ｄ．無(wú)線(xiàn)測溫。無(wú)線(xiàn)測溫即建立無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，由安裝在監測區域內大量的傳感器節點(diǎn)組成，通 過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統，采集網(wǎng)絡(luò )覆 蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。目， 無(wú)線(xiàn)信號的電磁兼容性和測溫節點(diǎn)的低功耗性能需進(jìn)一步完善。
 
2 高壓帶電設備無(wú)線(xiàn)測溫系統的設計
高壓帶電設備無(wú)線(xiàn)測溫系統（簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)線(xiàn)測溫系統”）采用無(wú)線(xiàn)射頻模塊與數字溫度傳感器相結合的方法，將溫度傳感器安裝到變電站設備的帶電接頭觸點(diǎn)上，在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量該點(diǎn)溫度后，以無(wú)線(xiàn)方式將數據上傳至電力自動(dòng)化系統集中顯示，使值班人員在遠端監視設備溫度，了解設備運行狀態(tài)。當被測點(diǎn)溫度超過(guò)預先設定的閾值時(shí)，系統發(fā)出超溫報警信號，提醒及時(shí)消除事故隱患。該系統可在常規變電站、箱式變電站、小型化變電站等處使用。
2.1 系統結構
組建無(wú)線(xiàn)測溫系統需要2個(gè)環(huán)節，一是測溫節點(diǎn)的設計，另一個(gè)是網(wǎng)絡(luò )的構成。無(wú)線(xiàn)測溫系統采用先將采集數據匯聚于一點(diǎn)，再通過(guò)遠程（GPRS／CDMA）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或串行通信的方式傳輸到監控端，實(shí)現無(wú)線(xiàn) 傳輸的技術(shù)方案。無(wú)線(xiàn)測溫系統結構見(jiàn)圖1。
 

 
圖1 無(wú)線(xiàn)測溫系統結構

2.2 系統組成
無(wú)線(xiàn)測溫系統包括3個(gè)設備部分及1套后臺軟件，分別為無(wú)線(xiàn)匯集終端、無(wú)線(xiàn)測溫終端、無(wú)線(xiàn)中繼站、測溫后臺軟件，實(shí)現對電力設備的在線(xiàn)溫度測量和預警。
2.2.1 無(wú)線(xiàn)測溫終端
無(wú)線(xiàn)測溫終端由高能電池供電，減少高低壓之間的電氣聯(lián)系，采用全數字方式工作，溫度傳感器附著(zhù)在發(fā)熱點(diǎn)（高壓母線(xiàn)或高壓開(kāi)關(guān)）上，并由一段數據線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)數據變換器相連接，該終端附著(zhù)在高壓母線(xiàn)或高壓開(kāi)關(guān)上并長(cháng)期工作在高壓環(huán)境中。測溫終端具有高絕緣性和抗電磁場(chǎng)干擾性，實(shí)時(shí)監測并可根據需要向控制中心傳輸溫度數據。相關(guān)技術(shù)指標為：大輸出功率≤10mW；遠傳輸距離≥200m（無(wú)阻擋）；發(fā)射電流17mA；電源為可自供電、可
換的電池，電池壽命3～5年；測量溫度為－40～125℃；測量精度±0.5℃；防水級別為IP68；符合（GB／T2423.1）《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第1部分：試驗方法 試驗A：低溫》和GB／T2423.2《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗B：高溫》的要求，適于在氣候條件惡劣的地區及戶(hù)外使用。
2.2.2 無(wú)線(xiàn)匯集終端
無(wú)線(xiàn)匯集終端在某頻段上實(shí)現和多個(gè)無(wú)線(xiàn)測溫終端采集溫度數據的通信，并可以向無(wú)線(xiàn)測溫終端發(fā)送指令，在整個(gè)測溫系統中處于核心地位，由它來(lái)調節整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)連接計算機上的設置軟件實(shí)現對無(wú)線(xiàn)測溫終端的設置，一般安裝在主控室。相關(guān)技術(shù)指標為：可多組（32組）管理無(wú)線(xiàn)測溫終端；與計算機接口采用RS485標準串口；利用電源適配器AC220供電；大輸出功率≤10mW；遠傳輸距離≥200m（無(wú)阻擋）；符合GB／T2423.1和GB／T2423.2的要求，適于在氣候條件惡劣的地區使用。
2.2.3 無(wú)線(xiàn)中繼站
無(wú)線(xiàn)中繼站采用無(wú)線(xiàn)防沖突組網(wǎng)技術(shù)，可多通道雙向傳輸數據，分組管理無(wú)線(xiàn)測溫終端，實(shí)現數據中轉，在此基礎上可添加CDMA/GPRS模塊。是否使用無(wú)線(xiàn)中繼站由各測溫終端所處的物理位置決定，測溫終端與無(wú)線(xiàn)匯集終端處于有效的通信距離內，則無(wú)須增加無(wú)線(xiàn)中繼站。無(wú)線(xiàn)匯集終端安裝在控制中心，控制中心計算機軟件實(shí)時(shí)監控每個(gè)點(diǎn)溫度的變化，掌握整個(gè)高壓系統的發(fā)熱狀況，進(jìn)而做出正確的決策。相關(guān)技術(shù)參數如下：可多組（32組）管理無(wú)線(xiàn)測溫終端；利用電源適配器 AC220供電或電池供電；通過(guò)配套設施可以快捷、輕松建立不受地形隔間限制的網(wǎng)絡(luò )；大輸出功率≤10mW；遠傳輸距離≥300m（可視距離）；發(fā)射電流17mA。
2.2.4 測溫后臺軟件
測溫后臺軟件具備高溫報警功能，當被測設備溫度達到設定溫度后，后臺軟件立即彈出被監測廠(chǎng)站一次接線(xiàn)圖及文字報警條，并進(jìn)行聲音告警。系 統自動(dòng)檢測每個(gè)測溫點(diǎn)的變化過(guò)程，當出現某個(gè)測 點(diǎn)溫度持續升高時(shí)，系統自動(dòng)進(jìn)行聲音及文字提示。所有測點(diǎn)的溫度曲線(xiàn)都可以日曲線(xiàn)、月曲線(xiàn)、年曲線(xiàn) 的方式顯示，并且可以采用平均溫度、低溫度等統計方式顯示，見(jiàn)圖2，溫度變化趨勢一目了 然；各種溫度數據（包括統計數據）都可以生成報表。


圖2 測溫軟件溫度曲線(xiàn)顯示界面示意

2.3 數據傳輸方式
無(wú)線(xiàn)測溫終端把溫度信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式直接或經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)中繼站傳送給無(wú)線(xiàn)匯集終端，無(wú)線(xiàn)匯集終端可以接收多個(gè)測溫終端發(fā)送來(lái)的數據。如果在無(wú)人值守、實(shí)際測溫地點(diǎn)遠離控制中心的環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)匯集終端可以把接收到的數據通過(guò)RS232傳送給GPRS／CDMA，再由GPRS／CDMA把數據傳送到控制中心的計算機，由計算機的后臺軟件進(jìn)行處理。
 
3 無(wú)線(xiàn)測溫系統應用分析
河北某公司自2009年1月在臺城、蓮花2座無(wú)人值班變電站使用了無(wú)線(xiàn)測溫系統，主要監測主變壓器高低壓側觸頭、母聯(lián)斷路器觸點(diǎn)、進(jìn)線(xiàn)斷路器觸點(diǎn)、出線(xiàn)斷路器及電纜接頭觸點(diǎn)等位置的溫度，無(wú)線(xiàn)測溫終端在高壓帶電設備上的安裝示意見(jiàn)圖3。



圖3 無(wú)線(xiàn)測溫終端安裝示意
 
無(wú)線(xiàn)測溫系統通過(guò)該公司千兆網(wǎng)絡(luò )將實(shí)時(shí)溫度數據上傳到調度和監控中心，由后臺系統進(jìn)行處理、存儲歷史數據，并根據越限情況發(fā)出警報。截止目，該系統在線(xiàn)運行正常、狀況良好，可為狀態(tài)檢修 提供數據支持與依據。
常見(jiàn)測溫方法與無(wú)線(xiàn)測溫系統的性能與費用比較見(jiàn)表1。
表1 常見(jiàn)測溫方法與無(wú)線(xiàn)測溫系統的性能與費用比較
 
通過(guò)應用和比較可知，無(wú)線(xiàn)測溫系統可以對主變壓器高低壓側隔離開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、變壓器穿墻套管固定位置、小推車(chē)開(kāi)關(guān)內部觸點(diǎn)、電纜接頭觸點(diǎn)等部位 進(jìn)行“*”監測，由于通信中傳送的是數字信號， 所以它不會(huì )受到電磁干擾的影響，也不會(huì )對電氣設 備的正常運行帶來(lái)任何負面影響 ，可以在高電壓、強輻射和強電磁干擾等惡劣環(huán)境下運行。系統擴展 性好，采用短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的方式，多個(gè)測溫終端分布 在無(wú)線(xiàn)匯集終端的周?chē)?，測溫終端小巧輕便，可在狹 小空間內應用，在有效的通信范圍內可以添加、刪 除、移動(dòng)測溫終端。
4 安科瑞ARTM系列電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測溫產(chǎn)品選型
安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫方案由無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn)，將測溫數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無(wú)線(xiàn)測溫系統（如圖4結構圖）。這樣，運行值班人員可以隨時(shí)查閱柜內各個(gè)接點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，隨時(shí)掌握各接點(diǎn)的運行情況，及時(shí)發(fā)現和排除故障，大大提高電網(wǎng)的運行可靠性和經(jīng)濟性。
 
圖4 結構圖

4.1安科瑞無(wú)線(xiàn)溫度傳感器
無(wú)線(xiàn)溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
 
4.2安科瑞無(wú)線(xiàn)收發(fā)器
無(wú)線(xiàn)測溫收發(fā)器共有3種，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式接收溫度數據。收發(fā)器根據不同的傳感器型號進(jìn)行匹配，同時(shí)傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
 
4.3安科瑞顯示終端
顯示裝置通過(guò)RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開(kāi)孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場(chǎng)及時(shí)查看電氣節點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí)，也可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統查看現場(chǎng)情況。
 
 
5 結束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)測溫系統與其他測溫方法相比，具有無(wú)需布線(xiàn)、測溫元件安裝方便、幾乎任何關(guān)鍵點(diǎn)都可以使 用、信息準確及時(shí)、報警系統良好等點(diǎn)。該系統可實(shí)現電力系統中關(guān)鍵部位溫度的在線(xiàn)監測，輔助運行人員及時(shí)發(fā)現設備異常，可為狀態(tài)檢修提供依據， 改變了電力系統的檢修模式，使運行人員及時(shí)掌握設備運行情況，可在一定程度上提高供電系統的可靠性。
 
【參考文獻】
[1] 劉強.電網(wǎng)設備溫度無(wú)線(xiàn)監測[D].蘇州：蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005
[2] 呂鑫，吳瑞春，申潔.高壓帶電設備無(wú)線(xiàn)測溫系統的設計與應用.[J]
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊  2019.11版