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浅谈基于铂电阻的高压隔离开关无源无线测温系统

  • 发布日期:2022-01-05      浏览次数:19
    • 淮亚利
      安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
        摘要:基于感应取电和无线通信技术,结合隔离开关的结构、工作原理进行在线测温相关技术的理论分析与验证,解决在高电压强电磁环境中在线测温系统的数据无线传输、传感器工作能源供给、设备高可靠性等方面的难题,通过温升试验,分析隔离开关不同影响因素作用下的触头温度分布,在试验研究隔离开关不同触头材料和缺陷情况下的回路电阻,以及回路电阻与接触温度的对应关系的基础上,研制出相应的在线测温装置,并在运行的户外高压隔离开关上进行应用。提出适用于隔离开关的低成本有效率的触头温度实时监测技术,对及时发现高压隔离开关触头的异常发热缺陷,对保证设备安全运行、提高供电可靠性具有重要意义。 
        关键词:高压隔离开关;铂电阻;无源无线;实时监测;测温系统 
        0引言 
        近年来,随着中国智能电网建设的不断深入推进,对电网设备智能化和运行可靠性的要求越来越高。隔离开关是电网中装用量大的高压开关设备,运行环境恶劣、电压高、电流大,触头温度会对其运行可靠性产生重要的影响。在电网运行过程中,由于敞开式隔离开关的触头受外界环境影响较大,因接触面不洁、触头氧化、电弧冲击、机械变形松动、合闸不到位、过负荷等原因造成触头接触条件恶化,导致触头过热烧毁甚至停电的事故时有发生,严重影响电网的安全稳定运行。文献显示,隔离开关故障、缺陷中,发热问题占60%以上,因此,对隔离开关的触头温度进行测量,预防隔离开关的过热性故障。 
        目前常用的测温方法主要有接触式测温、非接触式测温(如红外线测温等)、光纤测温等。接触式测温通过热传导直接测量被测物体的温度,主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度监测方法,传统的热电偶或热电阻测温方法技术成熟,性能可靠,测温精度高,但无源化和无线通信抗干扰的能力的问题还有待解决。红外测温技术主要基于被测物体的红外特征,应用红外成像仪或红外测温仪进行非接触测量,主要用于线路巡检,变电站高压设备例行巡检,但红外线穿透力弱,需要近距离测量,很大程度上限制了红外成像仪在高压户外设备上的应用。光纤测温是将光纤缠绕在被测设备的表面,以光作为温度变化的载体,采用有线通信方式,把测得的温度信息传给监测中心,对于户外高压开关而言,存在安全隐患。 
        本文结合隔离开关的结构、工作原理开展在线测温相关技术的理论分析与试验验证,解决在高电压强电磁环境中在线测温系统数据的无线传输、传感器工作的能源供给、设备高可靠性等方面的难题,并研制出相应的在线测温装置在运行的户外高压隔离开关上实现应用。 
        1无源无线高压隔离开关测温系统 
        高压隔离开关是电力系统中装用量大、应用广泛的高压开关设备,根据中国电力科学研究院有限公司统计的国家电网公司高压开关设备装用情况,72.5kV及以上电压等级的高压隔离开关装用量是高压断路器装用量的4倍左右,且价格相对较低,运行环境为高电压、大电流、强电磁场,长期暴露于户外面临各种恶劣天气,鉴于以上应用需求,本文研究了一种低成本、效率、抗干扰的能力强、环境适应性能好的高压隔离开关温度监测系统。该系统由无线测温终端、数据集中处理器和后台监控中心3部分组成,如图1所示。 
      图1无源无线高压隔离开关温度监测系统 
        无线测温装置的研发涉及电流互感器(TA)取电装置的设计、铂(Pt)电阻温度传感器温度信号监测、模拟信号采集及数据处理、数据无线通信采集等各种技术。为了提高测温系统的环境适应性和运行可靠性,项目设计时尽量采用集成芯片,减少分立元器件数量,对系统的每一部分都要周密考虑、精心设计,从数据采集系统始端到末端逐个环节进行问题分析,根据分析结果以及经验给出解决问题的实用技术。 
        2无源无线测温装置 
        无源无线测温技术目前常用的方法有声表面波技术和感应取电技术。本文采用感应取电技术,设计的无线无源测温装置主要由感应取电装置、Pt电阻温度传感器测温单元和无线发射电路组成。本装置通过充分运用单片机内部资源,对多种参数测量、处理和传输等进行了研究,设计了一套基于TA取电、信号采集、信号处理、无线通信的无线测温装置,如图2所 示。 
        感应取电装置的原理是利用电磁波进行能量无线传递,并通过控制和调理电路实现稳定电压输出;温度检测电路主要检测来自Pt电阻的温度数据;无线发射电路将温度数据通过433MHz无线方式传送至数据集中处理器,无线通信距离达300m。系统总体方案设计框图如图3所示。 
      图2无线无源测温装置外形 
      图3系统总体方案设计框图
        2.1感应取电技术 
        感应取电装置与温度检测电路采用一体化设计,安装时固定在高压导体上,并将高压导体穿过取能传感器,为便于安装,本文将取能传感器设计为卡扣式。取能传感器通过电磁感应提供稳定的电源输出,并且通过控制和调理电路在短路电流及冲击电流下实现自我保护,从而实现长期低热耗稳定运行,是解决高压设备智能化传感器供能难题的较好选择。 
        感应取电技术原理与电流互感器类似,能够很好地解决传感器的供电问题,且体积小、安装方便。感应取电装置的电路主要包括隔离稳压电路、取电调节保护电路和整流滤波模块。取电线圈从高压导体上感应出交流电压,经过3个电路的调理后,可以输出稳定的直流电压给测温传感器使用。其原理如图4所示。 
        感应取电装置通过取能互感器从高压导体上获取电能,但电压和电流扰动较大,所以设计了取电电源模块,对其进行整流滤波处理并实现隔离稳压输出。取电电源模块内设置取电调节保护电路,不仅能实时调节和限制输入模块的电能,而且能吸收因雷击等特殊情况引起的瞬间大电流,保证取电电源模块在高压导体电流不稳定时仍能输出稳定的电压。 
      图4感应取电原理 
        影响取能互感器输出功率的因素有2点:(1)高压导体上的电流大小;(2)取能装置的输出功率。电流越大,取能装置输出的功率也越大;另外,取电电源模块输出电压越大,输出总功率也越大。 
        感应取电装置可以根据高压导体的电流大小和测温传感器所需的功率调节工作模式,3种工作模式主要有待机模式、间断工作模式、正常工作模式。 
        (1)当隔离开关高压导体的电流非常小,不能提供模块启动所需消耗的电能时,取电装置会处于待机状态,此时输出电压为零,为待机模式,这种情况下隔离开关一般为停电状态,不需要测温。 
        (2)当隔离开关高压导体有一定的电流,可以支持模块启动,但不足以长期支持测温传感器正常工作时,取电装置会处于间断工作状态,此时输出电压值为额定输出电压和OV跳跃变化的方波,为间断工作模式,这种情况下隔离开关可能处于调试或者试验状态。 
        (3)当隔离开关高压导体的电流足够大,可以支持测温传感器长期工作时,取电装置正常输出测温传感器所需的功率,输出稳定的电压,为正常工作模式,这种情况下隔离开关处于正常运行状态,需实时监测温度。 
        2.2 Pt电阻温度传感器接触式测温单元 
        采用基于Pt电阻的无源无线温度监测装置,可实现变电站隔离开关易发热部位温度实时在线监测。在隔离开关的导电臂上埋设热电偶或热电阻等测温传感器进行温度测量,这种方法是接触式测温,其测量度高,测量范围大,不受中间介质影响,可以实现微功耗测量。 
        Pt100是一种广泛应用的金属热电阻,在–50~600℃时测温精度高,稳定性好,抗干的扰能力强。本文从测温系统的运行稳定性、可靠性出发,为降低开发成本、扩大适用范围,设计了一种以Pt电阻为温度信号采集元件的接触式传感器温度测量系统。 
        Pt电阻的电阻值与温度成非线性关系,本文通过对Pt测温方法的研究,以运算放大器电路为校正补偿方法,结合线性插值软校正方法,进行非线性校正,有效地解决Pt电阻测温电路的非线性误差问题,提高了测量精度,测温电路如图5所示。Pt电阻采用PC工程塑料封装,抗高强度跌落和震动,防浸泡、防冲击,满足工业环境要求。

      图5两线制接法桥式测温电路 
        2.3无线发射电路测温装置数据采集方案 
        本文研制的测温装置通过安装在高压隔离开关触头上的Pt100温度传感器,连续测量隔离开关触头温度,对触头的运行状态进行实时监测,通过433MHz无线通信方式发送给数据采集器处理,数据集中处理器显示当前温度,并把测量结果通过无线通信上传到监控中心,由后台监控中心数据库服务器实时进行数据分析和预测。 
        3数据集中处理器和后台监控中心 
        监控中心接收到各个监测点的现场数据后,分析确定各个监测点的数据是否正常。当有数据异常发生,及时给出相关提示,并通过局域网传送到监控中心,保存到数据库中,同时显示在不同的计算机屏幕上,并且根据告警情况提示告警,将相关数据发送到不同的工作站上。 
        根据DL/T664—2016《带电设备红外诊断应用规范》和《变电设备标准缺陷库》,高压隔离开关过热缺陷可分为3类:(1)危急缺陷:隔离开关过热点温度超过DL/T593—2016《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》规定的允许温度的缺陷;(2)严重缺陷:设备过热程度较重,温差较大、温度场分布梯度较大的缺陷;(3)一般缺陷:有一定温差,温度场有一定梯度,但不会引起事故的缺陷。 
        根据DL/T664—2016和DL/T593—2016要求,综合分析提出隔离开关过热缺陷判断依据如下:(1)具有合格镀银层的隔离开关触头,温度>90℃为严重缺陷,温度>130℃为危急缺陷;(2)接头和线夹,温度>80℃为严重缺陷,温度>110℃为危急缺陷;(3)裸铜、裸铜合金或涂有不合格镀银层的隔离开关触头,温度>65℃为严重缺陷,温度>105℃为危急缺陷。 
        根据上述判据,在后台监控中心设置报警阈值,对变电站高压隔离开关触头等易发热部位实现温度在线监测,发现温度异常时进行预警,能够有效杜绝变电站火灾或停电事故的发生。 
        4试验验证 
        文献显示,隔离开关导电回路发热部位主要集中在触头接触部位,导致发热的原因主要有:(1)触头接触面镀层脱落,导体腐蚀或表面脏污引起的接触不良;(2)触头材质不良,接触电阻变大,导致触头发热;(3)合闸不到位,触头夹紧力不足,导致触头发热。 
        本文依托GW6-252型隔离开关(见图6),根据隔离开关触头发热原因,人为设置了3类缺陷,进行了不同触头材质、不同表面脏污程度、不同夹紧力的温升试验,通过大量实际测试,验证无源无线实时温度监测装置的各项性能,并得出了不同缺陷情况下隔离开关温度变化曲线,如图7~9所示。 
        由图7可知:在夹紧力为400~600N时,接触电阻变化不明显,从25.8℃变化为26.3℃;夹紧力为200N附近时,温升有了一定的提高。夹紧力会影响动静触头接触面积,而接触面积变小,使接触电阻变大,导致温度微弱的提升。 
      图6GW6B-252隔离开关试验平台 
      图7不同夹紧力热点温升 
      图8不同污秽、不同夹紧力热点温升

       图9不同蚀点程度热点温升 

        从图8可以明显看出,相较于表面状态正常情况下接触压力对温升的影响,污秽缺陷对热点温升有显著的影响。 
        由图9看出:在轻度蚀点情况下,热点的稳态温升为26.6℃;在重度蚀点的情况下,热点的稳态温升为27.1℃。由此说明,蚀点对GW6B型隔离开关的稳态温升影响不大,原因是GW6B型隔离开关闭合时接触面积比较大,蚀点对应的面积相较于实际接触的面积很小,对接触电阻的影响也很小。在外加相同电流的情况下,热点的稳态温升和正常情况下的温升情况接近。
        5安科瑞无线测温监控系统及在线测温产品介绍 
        5.1概述 
        开关柜温度在线监测系统是基于470MHz无线测温技术开发的针对开关柜进行测温的系统,可对开关柜分别为母线排、上下触头、电缆接头,柜体表面等部位温度进行实时监测,方便运维人员及远程监控中心掌握现场设备运行情况。 
        5.2应用场所 
        变电所,配电室,箱变等

         5.3系统架构

        开关柜无线测温系统由无线温度传感器、测温通讯终端(温度显示仪)、温度监测预警工作站三部分组成,


        5.4系统功能

         5.4.1实时监测

        Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好,能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息。 
        5.4.2温度查询 
        温度历史曲线(1分钟、5分钟、60分钟可选): 
        5.4.3运行报表 
        查询各回路设备运行温度报表。 
        5.4.4实时报警 
        壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能,设备能够对温度越限等事件发出警告。设备提供以下几种告警方式: 
        1)弹出事件报警窗口。 
        2)实时语音报警功能,能够对所有事件发出语音告警。 
        3)短信警告。可以向zhi定号码发送告警信息短信(需选配短xin猫)。 
        5.4.5历史告警查询 
        Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有告警事件记录进行存储和管理,方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯,查询统计、事故分析。 
        5.4.6用户权限管理 
        Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行,设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如数据库修改等)。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限,为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。 
        5.4.7定值设置 
        用于修改高温定值、超温定值。 
        WEB,手机APP(可选): 
        通过网zhi和手机APP展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息,设备温度、通信状态,用电分析和事件记录。 
        5.5.产品选型 
        5.5.1无线测温传感器选型

        5.5.2收发器选型 
         5.5.3测温通讯终端(温度显示仪)选型

        5.6典型配置方案 

        5.6.1高低压柜内电气接点无线测温(单柜就地显示) 

        a)配置方案 

        说明:ARTM-Pn通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示,可接收60只无线温度传感器 
        ATE100/100M/200/400/100P/200P。 
        b)安装实例 
        5.6.2高压柜内电气接点无线测温带操显功能(单柜就地显示) 
        a)配置方案 

        说明:ASD320通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示,可接收12只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。 
        b)安装实例

        5.6.3高低压柜内电气接点无线测温(集中就地显示/就地无显示) 
        a)配置方案 

        说明:触摸屏通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示,可接收240只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果现场不需要就地显示,可以直接通过ATC的RS485接口,把数据传送到值班室的远程温度监控系统。 
        b)安装实例

      5.6.4就地壁挂式集中显示方案(适用于改造,不方便在柜子上加装显示屏的现场) 
        方案一:Acrel-2000T/A就地集中显示:

        说明:Acrel-2000/A通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示,可接收240只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。 
        方案二:Acrel-2000T/B就地集中显示:

        说明:Acrel-2000T/B不仅可以通过RS485连接多种ATC收发器接收所有型号传感器实现集中显示,还可以通讯连接配电室内无线测温相关就地显示装置实现集中显示,同时还可以连接配电室内智能操控、微机保护、电力仪表等电力监控设备进行监测。 
        5.6.5低压电气接点有线测温、变压器绕组测温 
        a)配置方案

        说明:ARTM-8温度巡检仪可配8路Pt100传感器,有线连接,Pt100传感器客户自配,测量低压电气接点时Pt100传感器需做好绝缘处理。 
        b)安装实例 

        6总结 
         通过将无线测温终端与感应取电装置安装在高压隔离开关上,由感应取电装置通过电磁互感的方式从高压隔离开关上获取电能,并提供给无线测温终端,对高压导体电流变化适应能力强,实现无线测温的无源化,提高了安全性。无线测温终端内的Pt电阻温度传感器与高压隔离开关直接接触,对于目前应用较多的非接触、非实时监测的红外测温方式来说,更加有效准确;相比光纤有线测温方式,环境适应性更强。通过数据集中处理器扩大无线测温终端与后台监控中心的通信范围,可以容纳多台终端同时进行测温,实时性高。本文的研究成果适用于变电站高压隔离开关的实时温度监控,具有精度高、低成本、直观可靠以及安装方便等优点。
       
        参考文献 
        [1]中国电力科学研究院.2015年开关类设备专业工作总结[R].北京:中国电力科学研究院,2016. 
        [2]和彦淼,李玉杰,李志兵,高山,杨景刚,李洪涛,杨蓬.基于铂电阻的高压隔离开关无源无线测温系统. 
        [3]安科瑞用户变电站综合自动化与运维解决方案.2021.02月版. 
        [4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06月版. 
        作者简介:淮亚利,女,安科瑞电气股份有限公司,主要从事无线测温系统的研发与应用
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