淺談基于鉑電阻的高壓隔離開(kāi)關(guān)無(wú)源無(wú)線(xiàn)測溫系統

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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，結合隔離開(kāi)關(guān)的結構、工作原理進(jìn)行在線(xiàn)測溫相關(guān)技術(shù)的理論分析與驗證，解決在高電壓強電磁環(huán)境中在線(xiàn)測溫系統的數據無(wú)線(xiàn)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(guò)溫升試驗，分析隔離開(kāi)關(guān)不同影響因素作用下的觸頭溫度分布，在試驗研究隔離開(kāi)關(guān)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(guān)系的基礎上，研制出相應的在線(xiàn)測溫裝置，并在運行的戶(hù)外高壓隔離開(kāi)關(guān)上進(jìn)行應用。提出適用于隔離開(kāi)關(guān)的低成本有效率的觸頭溫度實(shí)時(shí)監測技術(shù)，對及時(shí)發(fā)現高壓隔離開(kāi)關(guān)觸頭的異常發(fā)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(guān)鍵詞：高壓隔離開(kāi)關(guān)；鉑電阻；無(wú)源無(wú)線(xiàn)；實(shí)時(shí)監測；測溫系統

       近年來(lái)，隨著(zhù)中國智能電網(wǎng)建設的不斷深入推進(jìn)，對電網(wǎng)設備智能化和運行可靠性的要求越來(lái)越高。隔離開(kāi)關(guān)是電網(wǎng)中裝用量大的高壓開(kāi)關(guān)設備，運行環(huán)境惡劣、電壓高、電流大，觸頭溫度會(huì )對其運行可靠性產(chǎn)生重要的影響。在電網(wǎng)運行過(guò)程中，由于敞開(kāi)式隔離開(kāi)關(guān)的觸頭受外界環(huán)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(dòng)、合閘不到位、過(guò)負荷等原因造成觸頭接觸條件惡化，導致觸頭過(guò)熱燒毀甚至停電的事故時(shí)有發(fā)生，嚴重影響電網(wǎng)的安全穩定運行。文獻顯示，隔離開(kāi)關(guān)故障、缺陷中，發(fā)熱問(wèn)題占60%以上，因此，對隔離開(kāi)關(guān)的觸頭溫度進(jìn)行測量，預防隔離開(kāi)關(guān)的過(guò)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(xiàn)測溫等）、光纖測溫等。接觸式測溫通過(guò)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(shù)成熟，性能可靠，測溫精度高，但無(wú)源化和無(wú)線(xiàn)通信抗干擾能力的問(wèn)題還有待解決。紅外測溫技術(shù)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(jìn)行非接觸測量，主要用于線(xiàn)路巡檢，變電站高壓設備例行巡檢，但紅外線(xiàn)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(hù)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(xiàn)通信方式，把測得的溫度信息傳給監測中心，對于戶(hù)外高壓開(kāi)關(guān)而言，存在安全隱患。

       本文結合隔離開(kāi)關(guān)的結構、工作原理開(kāi)展在線(xiàn)測溫相關(guān)技術(shù)的理論分析與試驗驗證，解決在高電壓強電磁環(huán)境中在線(xiàn)測溫系統數據的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)測溫裝置在運行的戶(hù)外高壓隔離開(kāi)關(guān)上實(shí)現應用。

       高壓隔離開(kāi)關(guān)是電力系統中裝用量大、應用廣泛的高壓開(kāi)關(guān)設備，根據中國電力科學(xué)研究院有限公司統計的國家電網(wǎng)公司高壓開(kāi)關(guān)設備裝用情況，72.5kV及以上電壓等級的高壓隔離開(kāi)關(guān)裝用量是高壓斷路器裝用量的4倍左右，且價(jià)格相對較低，運行環(huán)境為高電壓、大電流、強電磁場(chǎng)，長(cháng)期暴露于戶(hù)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、抗干擾能力強、環(huán)境適應性能好的高壓隔離開(kāi)關(guān)溫度監測系統。該系統由無(wú)線(xiàn)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(wú)源無(wú)線(xiàn)高壓隔離開(kāi)關(guān)溫度監測系統

       無(wú)線(xiàn)測溫裝置的研發(fā)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(wú)線(xiàn)通信采集等各種技術(shù)。為了提高測溫系統的環(huán)境適應性和運行可靠性，項目設計時(shí)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(gè)環(huán)節進(jìn)行問(wèn)題分析，根據分析結果以及經(jīng)驗給出解決問(wèn)題的實(shí)用技術(shù)。

       無(wú)源無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)目前常用的方法有聲表面波技術(shù)和感應取電技術(shù)。本文采用感應取電技術(shù)，設計的無(wú)線(xiàn)無(wú)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(wú)線(xiàn)發(fā)射電路組成。本裝置通過(guò)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(jìn)行了研究，設計了一套基于TA取電、信號采集、信號處理、無(wú)線(xiàn)通信的無(wú)線(xiàn)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(jìn)行能量無(wú)線(xiàn)傳遞，并通過(guò)控制和調理電路實(shí)現穩定電壓輸出；溫度檢測電路主要檢測來(lái)自Pt電阻的溫度數據；無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路將溫度數據通過(guò)433MHz無(wú)線(xiàn)方式傳送至數據集中處理器，無(wú)線(xiàn)通信距離達300m。系統總體方案設計框圖如圖3所示。

圖2無(wú)線(xiàn)無(wú)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(shù)

       感應取電裝置與溫度檢測電路采用一體化設計，安裝時(shí)固定在高壓導體上，并將高壓導體穿過(guò)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(guò)電磁感應提供穩定的電源輸出，并且通過(guò)控制和調理電路在短路電流及沖擊電流下實(shí)現自我保護，從而實(shí)現長(cháng)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(shù)原理與電流互感器類(lèi)似，能夠很好地解決傳感器的供電問(wèn)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(xiàn)圈從高壓導體上感應出交流電壓，經(jīng)過(guò)3個(gè)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(guò)取能互感器從高壓導體上獲取電能，但電壓和電流擾動(dòng)較大，所以設計了取電電源模塊，對其進(jìn)行整流濾波處理并實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(diǎn)：（1）高壓導體上的電流大??；（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(kāi)關(guān)高壓導體的電流非常小，不能提供模塊啟動(dòng)所需消耗的電能時(shí)，取電裝置會(huì )處于待機狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓為零，為待機模式，這種情況下隔離開(kāi)關(guān)一般為停電狀態(tài)，不需要測溫。

       （2）當隔離開(kāi)關(guān)高壓導體有一定的電流，可以支持模塊啟動(dòng)，但不足以長(cháng)期支持測溫傳感器正常工作時(shí)，取電裝置會(huì )處于間斷工作狀態(tài)，此時(shí)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(kāi)關(guān)可能處于調試或者試驗狀態(tài)。

       （3）當隔離開(kāi)關(guān)高壓導體的電流足夠大，可以支持測溫傳感器長(cháng)期工作時(shí)，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(kāi)關(guān)處于正常運行狀態(tài)，需實(shí)時(shí)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(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度監測裝置，可實(shí)現變電站隔離開(kāi)關(guān)易發(fā)熱部位溫度實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。在隔離開(kāi)關(guān)的導電臂上埋設熱電偶或熱電阻等測溫傳感器進(jìn)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(zhì)影響，可以實(shí)現微功耗測量。

       Pt100是一種廣泛應用的金屬熱電阻，在–50~600℃時(shí)測溫精度高，穩定性好，抗干擾能力強。本文從測溫系統的運行穩定性、可靠性出發(fā)，為降低開(kāi)發(fā)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(xiàn)性關(guān)系，本文通過(guò)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(xiàn)性插值軟校正方法，進(jìn)行非線(xiàn)性校正，有效地解決Pt電阻測溫電路的非線(xiàn)性誤差問(wèn)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(dòng)，防浸泡、防沖擊，滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境要求。

圖5兩線(xiàn)制接法橋式測溫電路

2.3無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路測溫裝置數據采集方案

       本文研制的測溫裝置通過(guò)安裝在高壓隔離開(kāi)關(guān)觸頭上的Pt100溫度傳感器，連續測量隔離開(kāi)關(guān)觸頭溫度，對觸頭的運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，通過(guò)433MHz無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)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(guò)無(wú)線(xiàn)通信上傳到監控中心，由后臺監控中心數據庫服務(wù)器實(shí)時(shí)進(jìn)行數據分析和預測。

       監控中心接收到各個(gè)監測點(diǎn)的現場(chǎng)數據后，分析確定各個(gè)監測點(diǎn)的數據是否正常。當有數據異常發(fā)生，及時(shí)給出相關(guān)提示，并通過(guò)局域網(wǎng)傳送到監控中心，保存到數據庫中，同時(shí)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(guān)數據發(fā)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(kāi)關(guān)過(guò)熱缺陷可分為3類(lèi)：（1）危急缺陷：隔離開(kāi)關(guān)過(guò)熱點(diǎn)溫度超過(guò)DL/T593—2016《高壓開(kāi)關(guān)設備和控制設備標準的共用技術(shù)要求》規定的允許溫度的缺陷；（2）嚴重缺陷：設備過(guò)熱程度較重，溫差較大、溫度場(chǎng)分布梯度較大的缺陷；（3）一般缺陷：有一定溫差，溫度場(chǎng)有一定梯度，但不會(huì )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(kāi)關(guān)過(guò)熱缺陷判斷依據如下：（1）具有合格鍍銀層的隔離開(kāi)關(guān)觸頭，溫度＞90℃為嚴重缺陷，溫度>130℃為危急缺陷；（2）接頭和線(xiàn)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)觸頭等易發(fā)熱部位實(shí)現溫度在線(xiàn)監測，發(fā)現溫度異常時(shí)進(jìn)行預警，能夠有效杜絕變電站火災或停電事故的發(fā)生。

       文獻顯示，隔離開(kāi)關(guān)導電回路發(fā)熱部位主要集中在觸頭接觸部位，導致發(fā)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(zhì)不良，接觸電阻變大，導致觸頭發(fā)熱；（3）合閘不到位，觸頭夾緊力不足，導致觸頭發(fā)熱。

       本文依托GW6-252型隔離開(kāi)關(guān)（見(jiàn)圖6），根據隔離開(kāi)關(guān)觸頭發(fā)熱原因，人為設置了3類(lèi)缺陷，進(jìn)行了不同觸頭材質(zhì)、不同表面臟污程度、不同夾緊力的溫升試驗，通過(guò)大量實(shí)際測試，驗證無(wú)源無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)溫度變化曲線(xiàn)，如圖7~9所示。

       由圖7可知：在夾緊力為400~600N時(shí)，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(shí)，溫升有了一定的提高。夾緊力會(huì )影響動(dòng)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(kāi)關(guān)試驗平臺

 

圖7不同夾緊力熱點(diǎn)溫升

圖8不同污穢、不同夾緊力熱點(diǎn)溫升

圖9不同蝕點(diǎn)程度熱點(diǎn)溫升

       從圖8可以明顯看出，相較于表面狀態(tài)正常情況下接觸壓力對溫升的影響，污穢缺陷對熱點(diǎn)溫升有顯著(zhù)的影響。

       由圖9看出：在輕度蝕點(diǎn)情況下，熱點(diǎn)的穩態(tài)溫升為26.6℃；在重度蝕點(diǎn)的情況下，熱點(diǎn)的穩態(tài)溫升為27.1℃。由此說(shuō)明，蝕點(diǎn)對GW6B型隔離開(kāi)關(guān)的穩態(tài)溫升影響不大，原因是GW6B型隔離開(kāi)關(guān)閉合時(shí)接觸面積比較大，蝕點(diǎn)對應的面積相較于實(shí)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(diǎn)的穩態(tài)溫升和正常情況下的溫升情況接近。 

 

 

5.4系統功能

5.5.2收發(fā)器選型

5.5.3測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型

 

      

 

       說(shuō)明：觸摸屏通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現場(chǎng)不需要就地顯示，可以直接通過(guò)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(shí)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(chǎng)）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：

       說(shuō)明：Acrel-2000T/B不僅可以通過(guò)RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實(shí)現集中顯示，還可以通訊連接配電室內無(wú)線(xiàn)測溫相關(guān)就地顯示裝置實(shí)現集中顯示，同時(shí)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(jìn)行監測。

5.6.5低壓電氣接點(diǎn)有線(xiàn)測溫、變壓器繞組測溫

a）配置方案

 

       通過(guò)將無(wú)線(xiàn)測溫終端與感應取電裝置安裝在高壓隔離開(kāi)關(guān)上，由感應取電裝置通過(guò)電磁互感的方式從高壓隔離開(kāi)關(guān)上獲取電能，并提供給無(wú)線(xiàn)測溫終端，對高壓導體電流變化適應能力強，實(shí)現無(wú)線(xiàn)測溫的無(wú)源化，提高了安全性。無(wú)線(xiàn)測溫終端內的Pt電阻溫度傳感器與高壓隔離開(kāi)關(guān)直接接觸，對于目前應用較多的非接觸、非實(shí)時(shí)監測的紅外測溫方式來(lái)說(shuō)，更加有效準確；相比光纖有線(xiàn)測溫方式，環(huán)境適應性更強。通過(guò)數據集中處理器擴大無(wú)線(xiàn)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(shí)進(jìn)行測溫，實(shí)時(shí)性高。本文的研究成果適用于變電站高壓隔離開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)溫度監控，具有精度高、低成本、直觀(guān)可靠以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

 

參考文獻

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作者簡(jiǎn)介：何花，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無(wú)線(xiàn)測溫系統的研發(fā)與應用