10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統設計及產(chǎn)品選型

柏為為

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：保障電力系統穩定安全運行的一個(gè)重要部分為高壓開(kāi)關(guān)柜。高壓開(kāi)關(guān)柜的運行狀態(tài)非常關(guān)鍵，因為整體溫度太高會(huì )逐漸損耗其電氣設備。分析10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)，闡述10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統的設計、技術(shù)特點(diǎn)及工作原理，總結了無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)在10kV高壓開(kāi)關(guān)柜中的應用。

關(guān)鍵詞:電氣設備；高壓開(kāi)關(guān)柜；無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)

 

1、整體設計

        本文選擇KYN型開(kāi)關(guān)柜作為研究對象，而K、Y、N分別是鎧裝式金屬封閉開(kāi)關(guān)設備、移動(dòng)式結構以及戶(hù)內裝置。根據10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的安全運行需求，10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的整體設計要從體積、絕緣性能、成本以及可靠性等方面給予考慮。針對系統的設計分析，主要由3部分組成，即高壓測發(fā)射端、低壓側接收端以及上位機數據處理控制。這一設計考慮到KYN型開(kāi)關(guān)柜所具備的6個(gè)梅花觸頭，并提供了470MHz無(wú)線(xiàn)數據傳輸通道。由于選取了CT互感器作為高壓側電源，ATE400溫度傳感器測量觸頭溫度，系統由此能夠準確反映觸頭溫度變化。

 

2、溫度傳感器的選擇

        一般工業(yè)場(chǎng)所使用的溫度傳感器主要有熱電偶溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器以及集成溫度傳感器等。整合多個(gè)傳感器可以發(fā)現，每一個(gè)傳感器自身都有明確的溫度測量范圍。明確的溫度測量范圍值，可以認知其傳感器的適應溫度環(huán)境的變化程度。結合設計成本和難度，大多數10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統都會(huì )選擇應用ATE400溫度傳感器。究其原因，主要是其ATE400溫度傳感器的價(jià)格比較實(shí)惠，同時(shí)具備高精度測量、簡(jiǎn)便的測溫路線(xiàn)以及使用拓展性方便的優(yōu)勢。

 

3、高、低壓側信號傳輸方式選擇

        無(wú)線(xiàn)信號傳輸方式的選擇一定程度上決定了10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統設計的良好程度。無(wú)線(xiàn)信號傳輸方式有藍牙技術(shù)、紅外技術(shù)等。但是，由于不同技術(shù)的抗干擾性以及功耗有所不同，因此10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統在無(wú)線(xiàn)信號傳輸方式上主要選擇藍牙技術(shù)。

 

4、高壓側供電方式選擇

        供電電源間的高壓側電路需要滿(mǎn)足不間斷供電、抗干擾能力強以及高穩定輸出等要求。目前的供電方式主要有激光供電、太陽(yáng)能供電、CT互感器電源供電以及電池供電等。但是，10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統主要應用了CT互感器電源供電方式，因為CT互感器電源供電更能滿(mǎn)足高壓側電路多種需求點(diǎn)，同時(shí)具備結構安全、應用成熟以及使用環(huán)境優(yōu)良的優(yōu)勢。

 

 

1、無(wú)線(xiàn)測溫原理

        結合不同的溫度傳感元件進(jìn)行測溫就是無(wú)線(xiàn)測溫原理，而溫度傳感元件主要有熱敏電阻溫度傳感器、紅外線(xiàn)測溫傳感器、半導體傳感器、聲表面溫度傳感器以及無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器等。

 

2、熱敏電阻溫度傳感器

        針對不斷變化的溫度，它的阻值也呈現出不同程度的變化，即熱敏電阻溫度傳感器的原理。反過(guò)來(lái)，可以結合阻值的大小判斷溫度的高低。它的優(yōu)勢也由此顯現，即具備較高的靈敏度，劣勢即熱敏電阻值與溫度的線(xiàn)性關(guān)系變差，進(jìn)一步導致元件被老化，縮短了熱敏電阻溫度傳感器的使用年限，還會(huì )隨著(zhù)長(cháng)時(shí)間的使用使其溫度測定準確度和穩定性變差。

 

3、紅外測溫度傳感器

        黑體輻射定律就是紅外測溫度傳感器應用原理，即任意一個(gè)物體只要高于0P,就會(huì )不自覺(jué)地發(fā)射出紅外線(xiàn)。它的特點(diǎn)就是應用非接觸式的測量，所以測量探頭以及被測物體不需要進(jìn)行遮擋，也不用做出多種絕緣處理。但是，紅外測溫度傳感器非常容易受到溫度、濕

度以及輻射等因素的影響，導致測溫精度出現偏差。

 

4、半導體傳感器

        PN作為一個(gè)測溫元件，它的原理是隨著(zhù)溫度的變化其阻值也在發(fā)生變化。通過(guò)加強恒定電流的方式，結合運行狀態(tài)中電流的大小，測定其高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度。雖然這種方式測定的溫度準確度高，但是整體的靈敏度不如熱敏電阻，因為其反應的時(shí)間較長(cháng)。然而，半導體傳感器不易老化，而且整體的使用年限較高，因此具有較高的可靠性。

 

5、聲表面溫度傳感器

        聲表面溫度傳感器測溫方式非常特殊，即為無(wú)源測量，可以借助無(wú)線(xiàn)傳輸測量高壓開(kāi)關(guān)柜的具體溫度。整體優(yōu)勢是體積小，不用結合電源，但是整體的傳輸距離短，且整個(gè)傳輸過(guò)程不能有障礙物，否則易發(fā)生位移和震動(dòng)的情況，非常容易產(chǎn)生聲表面相位變化，影響其測溫值的準確性。

 

6、無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器

        應用能量收集方式進(jìn)行能量的獲取來(lái)滿(mǎn)足無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的能量需求，即可以充分摒棄傳統電池和CT取電的方式。整個(gè)無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器安全可靠性較高。整個(gè)能量收集技術(shù)沒(méi)有污染，還有可循環(huán)、低能耗的優(yōu)點(diǎn)。因此，未來(lái)的無(wú)線(xiàn)測溫系統的發(fā)展大多會(huì )建立在微電子技術(shù)與微功耗技術(shù)上，并呈現出多種類(lèi)似于無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的方式。

 

1、安全性

        獨立式的電位絕緣安裝的無(wú)線(xiàn)測溫系統，是可以大范圍規避其爬電帶來(lái)的不良影響的系統，還能有效提升電氣設備的安全性能。因此，整個(gè)無(wú)線(xiàn)測溫系統的技術(shù)呈現為較高的安全性。

 

2、準確性

        無(wú)線(xiàn)測溫系統應用的器件大多數為高精度數字傳感器，可以充分肯定測溫方式多為接觸式。整個(gè)傳感器的位置非常接近發(fā)熱點(diǎn)，可以實(shí)現快速測定溫度點(diǎn)的溫度變化的目標，顯示出無(wú)線(xiàn)測溫系統的整體測量準確性。

 

3、靈活性

        由于無(wú)線(xiàn)測溫器件本身體積較小，所以整個(gè)器件安裝過(guò)程非常便捷，整個(gè)組網(wǎng)也非常靈活，即可以應用無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )連線(xiàn)方式。器件的體積小還能方便多個(gè)監控點(diǎn)的安裝，得到的測量數據。

 

4、易用性

        無(wú)線(xiàn)測溫系統的整個(gè)操作平臺主要是應用模塊化設計，因此會(huì )更加便捷性地鏈接其網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)而得到自動(dòng)化控制系統，且整體的使用性能也更加方便。

 

5、功耗低

        低功耗的設計理念應用于無(wú)線(xiàn)測溫，可以達成正常測溫的目的，同時(shí)提升無(wú)線(xiàn)測溫傳感器的使用年限。

 

        現階段，我國多個(gè)企業(yè)公司的科研院校以及部門(mén)都已經(jīng)研制出多個(gè)不同類(lèi)型的10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)溫度在線(xiàn)檢測測量系統。比如，某一公司早已研制出一種特殊裝置，從正常層面上認知其裝置是一種非接觸型溫度監測系統，主要的監測功能是進(jìn)行配電開(kāi)關(guān)柜中一個(gè)特定部位溫度連續性的監控，且這個(gè)監測部位是整個(gè)10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的關(guān)鍵部位。監測其部位的目的是得到準確度較高的運行工作狀態(tài)以及溫度，同時(shí)其非接觸型溫度監測系統還監測斷路器的工作狀態(tài)。整個(gè)非接觸型溫度監測系統使用的組成元件有石英晶體聲表面波元件。石英晶體聲表面波元件應用到10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)中，主要作為溫度敏感元件。該溫度敏感元件會(huì )直接粘貼在待測的位置點(diǎn)。由溫度敏感元件組成的10kV高壓開(kāi)關(guān)柜會(huì )組成振蕩回路輸出與溫度有關(guān)的頻率信號。10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)應用其中，能充分滿(mǎn)足系統并發(fā)揮其自身數字化特點(diǎn)，進(jìn)一步抑制強電場(chǎng)的干擾性，達到過(guò)熱警報的目的。此外，監控設備還可以借助微機聯(lián)網(wǎng)方式，得到的集中式監測。

 

        實(shí)際應用到10kV高壓開(kāi)關(guān)柜中的無(wú)線(xiàn)測溫系統的優(yōu)勢非常明顯，即性能可靠、結構簡(jiǎn)單、體積小、便捷安裝和操作。因此，多數10kV高壓開(kāi)關(guān)柜都會(huì )應用無(wú)線(xiàn)測溫系統進(jìn)行相應的測溫。同時(shí)，整個(gè)無(wú)線(xiàn)測溫系統的價(jià)格并不高，是人們可接受的系統價(jià)格范圍。小巧結構設計的無(wú)線(xiàn)測溫模塊便于變動(dòng)其開(kāi)關(guān)柜，即進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜配套時(shí)，即使原柜結構沒(méi)有發(fā)生變動(dòng)，也能進(jìn)行快速安裝工作。只要對應開(kāi)關(guān)柜配件，再打上相應的安裝孔，就能實(shí)現快速安裝。整個(gè)安裝過(guò)程不會(huì )影響原有的開(kāi)關(guān)柜的無(wú)線(xiàn)測溫系統性能，尤其是針對開(kāi)關(guān)柜的絕緣性能，安裝過(guò)程中絕緣性能非常好。智能電網(wǎng)的安全生產(chǎn)是一個(gè)龐大且繁雜的系統工程，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展系統工程，明確系統工程作為電力公司以及全社會(huì )改革與創(chuàng )新的前提，能不斷推動(dòng)我國智能電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程。國家早在2006年就發(fā)布了多個(gè)系統電力設備安全使用的重要文件，明確認知其國家優(yōu)先發(fā)展以及實(shí)施的主體是智能電網(wǎng)安全保障。我國當前處于經(jīng)濟發(fā)展的增長(cháng)時(shí)期，國家電網(wǎng)的電力供電量已經(jīng)不能滿(mǎn)足居民的日常生活和社會(huì )生產(chǎn)需求。因此，國家要加大電網(wǎng)的供電量，但這樣會(huì )導致電網(wǎng)電器設備出現隱患，尤其是對于智能電網(wǎng)末端的10kV高壓開(kāi)關(guān)柜。因此，只有確保高壓開(kāi)關(guān)柜的安全，才能進(jìn)一步促進(jìn)電網(wǎng)溫度監測效果。

 

1、概述

        電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開(kāi)關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過(guò)程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時(shí)、持續、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。

Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統通過(guò)RS485總線(xiàn)或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進(jìn)行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線(xiàn)、棒圖、報表和用戶(hù)管理功能，可以監控無(wú)線(xiàn)測溫系統的設備運行狀況，實(shí)現快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

 

2、應用場(chǎng)所

        適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠(chǎng)、化工、水泥、數據中心、醫院、機場(chǎng)、電廠(chǎng)、煤礦等廠(chǎng)礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監測。

 

3、系統結構

溫度在線(xiàn)監測系統結構圖

 

 

 

 

 

4、系統功能

        測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開(kāi)關(guān)設備運行溫度狀態(tài)。系統具有以下主要功能：

1）溫度顯示：顯示配電系統內每個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

2）溫度曲線(xiàn)：查看每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度趨勢曲線(xiàn)。

 

 

3）運行報表：查詢(xún)及打印各測溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數據。

4）實(shí)時(shí)告警：系統能夠對各測溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警，告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時(shí)提醒值班人員。

5）歷史事件查詢(xún)：能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析等。

5、系統硬件配置

        溫度在線(xiàn)監測系統主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統主機組成，實(shí)現變配電系統關(guān)鍵電氣部位的溫度在線(xiàn)監測。

        就10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)進(jìn)行深度分析，結合實(shí)際的10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際應用發(fā)展狀況，達成保障智能電網(wǎng)的安全穩定運行，推動(dòng)10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)的持續發(fā)展。

 

［1］崔金奇．10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)分析[J]．通信電源技術(shù),2020,037(005):45-46

［2］陳秋佳．高低壓成套開(kāi)關(guān)設備智能化控制系統的設計與運用分析[J]．科技資訊,2018,016(004):6769

［3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022年05版