基于无线测温的热缺陷检测系统在35kV开关柜中的应用[图]

摘要：介绍了热缺陷检测系统的技术原理、功能。对内蒙古某变电站35 kV开关柜热缺陷检测系统的应用情况进行了分析,将测温传感器安装到带电物体表面,直接测量带电物体的温度,能够在设计距离内通过非接触手段获得监测节点的温度数据,实现对高压开关柜中断路器触头和电缆接头温度的实时监测。系统的应用可有效监测并预警开关柜的发热故障,经济效益显着。

近年来，内蒙古电网的高压开关柜在高负荷运行过程中，局部过热、超温等现象时有发生，导致运行中高压开关柜故障。部分故障是因开关柜本身存在质量问题引起的，更主要的原因在于针对高压开关柜的监测缺乏有效的手段。

目前，内蒙古电网内各供电局和发电企业对高压开关柜的检测大多基于人工巡检，采用手持式红外测温仪获取开关柜内的温度数据。由于密闭式高压开关柜结构相对复杂，元件间互有遮挡，红外测温仪往往无法测得准确的温度数据，且人工方法不能实现及时监测和提前预警，一旦出现问题将引起设备严重损坏和停电事故，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。

1 高压开关柜测温方式

1.1 现有的测温方式

针对人工巡检的不足，各科研院所和生产厂家开发了一系列新型的高压开关柜温度监测装置，一定程度上克服了人工巡检的弱点。根据测温原理，大致可以分为以下几类。

1.1.1 传统接触式测温

采用传统的接触式温度传感器（热电偶、集成温度传感器等）测温，传感器信号处理电路安装在高压母线上，电源通过感应线圈从高压母线获得，通过金属导线传输信号。

1.1.2 红外探头测温

在开关柜柜体安装若干红外测温探头，通过接收电触头的红外辐射信号来确定其温度。

1.1.3 光纤测温

在电触头表面贴装光纤温度传感器，通过光缆连接到安装于柜体的光纤解调器，由光纤解调器输出对应的温度数据。

1.1.4 无线测温

基于无线测温的热缺陷检测系统集计算机、通信、抗电磁干扰、数字传感及工业现场总线技术于一体，系统由无线温度传感器（探头）、测温通信终端、测温工作站及测温管理中心组成（见图1）。

图1 开关柜热缺陷检测系统拓扑图

系统将无线温度传感器直接安装在高压触点上，通过无线传输技术将信号传送至无线接收终端，接收装置经信号处理解码后将温度数据传送至主控计算机管理装置进行分析处理。管理装置自动生成监测点指定时间段的温度变化趋势、历史事件统计以及所需的曲线图和数据表，供运行人员参考分析。

1.2 测温方法比较分析

与热缺陷检测系统相比，其他几种测温方式具有以下的局限性。

（1）传统接触式测温方式需要将温度检测器和获取电源的感应线圈安装于高压母线上，温度传感器需要金属导线传输信号，开关柜内部空间狭小，安装较为困难，且有可能减小开关柜内部的绝缘净距，无法保证绝缘性能的稳定，因此不能在高压开关柜内的触点和电缆接头上使用。

（2）红外探头测温方式容易受开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的影响，不能准确测得触头温度，不适用于配电装置的在线测温。

（3）光纤测温方式目前应用较多，光纤式温度测量仪采用光纤传递信号，光纤具有易折、易断、不耐高温的缺点，在柜内布线难度较大，且造价较高，施工和检修困难，不适用于配电柜内装置测温。

2 热缺陷检测系统的工作原理

2.1 无线温度传感器（探头）

每个温度探头具有唯一的ID 号，无线传感器发送被监测点温度的同时，也传输自身的ID 号，通过控制单元完成温度探头地址数据和温度数据的发射输出。传感器与测温终端之间采用无线连接，在复杂的高压环境下不需增加额外线路，既方便了系统的安装与维护，也减少了对设备安全运行的影响。

2.2 无线接收终端

接收终端总体结构见图2 所示，主要包括无线接收模块、控制模块和电源模块3 部分。其中无线接收模块主要用于接收温度探头的无线发送数据；控制模块主要用于完成数据接收、状态管理、参数配置和数据更新等功能； 电源模块主要负责将220 V交流电转换为+9 V 直流电，分别给无线接收模块和控制模块供电。另外，为了消除高压开关柜在事故发生瞬间产生的强烈干扰，必须在各环节的设计中增加抗干扰措施。

图2 接收终端结构

（1）变电站干扰信号的主要干扰信道在20kHz~30 MHz, 系统需避开这一频带的频率，采用ISM 频段作为工作频率进行无线数据传送。

（2）为了保证数据传输的正确性，在通信码流中增加校验码。

（3）利用无线传感器ID 号具有唯一性的特点，提出1 种无线传感器网络节点与网关之间新的通信方法，在采样单元和发射单元中增加间隔周期调节电路，通过控制模块改变发射周期，使2 者之间能够以低功耗方式进行双向无线通信。

2.3 测温工作站

测温工作站为1 台工控计算机，通过在该计算机上运行专用软件，用来定时读取从通信终端收集的温度和ID 数据，并写入本地硬盘作长期保存。主要功能有以下几个方面。

（1）开关柜监测点巡查功能。值班人员根据需要进行功能选择，所有隐患点和工作不正常的测温探头位置将在屏幕上直接显示出来。

（2）开关柜监测点温度变化趋势分析功能。通过对以往60 d 的数据分析，预测出可能出现故障的监测点，使传统的"故障检修"升级为"状态检修"成为可能。

（3）开关柜监测点温度变化曲线图生成功能。

用户既可以查看单个点温度随时间的变化曲线，也可以同时比较任意1 组三相线路的温度变化曲线。

（4）系统通过计算机网络可将测温工作站与上级办公系统连接起来，实时查看各变电站监测点温度数据，及时制定安全生产措施，提出工作指导。

3 系统的应用过程分析

3.1 测温点分布

内蒙古某变电站35 kV 开关柜在运行过程中，曾多次因局部过热引起开关柜烧毁故障。经研究，在该变电站35 kV 配电室安装了基于无线测温原理的热缺陷检测系统。该变电站35 kV 高压配电室分4段母线、共29 个开关柜，母线一段和母线二段8 个柜各安装6 个测温点，分别监测开关下触头和电缆接头温度； 母线三段和母线四段8 个柜各安装3 个测温点，监测电缆接头温度，共72 个测温点，需2 台接收终端进行管理。2 台接收终端可实时发送测点温度信息至变电站主控室的计算机，实现远程监测。

3.2 测量及传输性能校验

热缺陷检测系统通过接触式传感器测量温度，发出无线信号给接收终端。为了确保发送数据的准确性和信号传输的可靠性，对热缺陷检测系统在不同工作环境下进行了校验，热缺陷检测系统校验数据见表1 所示。试验结果表明，在不同的工作环境和接收距离下，热缺陷检测系统都可以准确识别和接收探头发出的温度信号。系统接收温度信息的抗干扰能力较强，可满足电力系统高压带电设备的温度监测要求。

表1 热缺陷检测系统校验数据

3.3 系统安装

系统现场安装前，需先收集该变电站35 kV 开关柜图纸、技术资料和相关参数，实测变电站35 kV开关柜内安装尺寸，确定传感器安装位置和热缺陷检测系统的安装方案。经对历史故障数据比对分析，发现封闭的高压开关柜内易发热部位是断路器触头接触处和出线电缆接头处，因此传感器安装位置定位在上述2 个部位。用于监测断路器触头温度的传感器安装在断路器下拐臂接头处，通过绑带固定在拐臂上（见图3）；电缆接头处的传感器通过专用夹具与螺丝固定（见图4）。2 台接收终端分别固定在配电室西北角和西南角的墙壁上，信息传输距离100m, 最多可以和200 个温度传感器实现传输通信，保证对柜内测温传感器信号接收的可靠性和扩展性。

图3 传感器安装在断路器下拐臂处

图4 传感器安装在电缆接头处

为了确保测温系统在运行电压下可靠运行，依据Q/HBW14701-2008,对安装热缺陷检测系统的开关柜进行了交流耐压试验，电压为85 kV,持续时间1 min,试验通过，试验结果合格。

3.4 监测功能及效果

3.4.1 功能

35 kV 开关柜热缺陷检测系统主界面见图5.该系统主界面显示每个监测开关柜中温度最高的测温点，通过主界面可以对运行中任意1 个开关柜的运行温度随时间变化曲线进行查询，完成对数据的处理、维护、报警设定和用户管理等功能。

图5 热缺陷检测系统主界面

图6 是某开关柜一段时间内的温度曲线查询示意图。根据温度曲线可以确定温度报警值，设定系统的报警值为60 ℃，超过报警值系统就会发出报警信号，及时提醒运行人员采取相关措施。通过对曲线分析和关键点部位温度的监测，能够确定设备是否有发生故障的趋势，了解设备运行状况。

图6 某开关柜温度曲线查询画面

3.4.2 经济性分析

热缺陷检测系统的应用可以有效避免开关柜因过热引发停电、短路故障。以过热故障每10 a 引起1 台120 MVA 主变压器损坏、返厂检修费用平均为280 万元、检修时间至少需30 d、电费按0.35 元/kWh 计算，则电量损失为3 024 万元，平均每年可节约330.4 万元，经济效益显着。

3.5 应用中存在的问题

（1）传感器的通用性差。可改进现有传感器尺寸，提高其通用性，便于现场安装。

（2）内部电池的制约。可根据设备在线工作的特点，研发利用电流的感应能量为测温探头供电的无源温度传感器，提高无线温度传感器的技术性能。

4 结语

35 kV 开关柜热缺陷检测系统可以从根本上解决长期以来封闭式高压开关柜的温度在线监测、预警预报和分析等影响电网安全生产的重大难题，弥补高压开关柜热缺陷检测的不足，为电网开展开关柜及变电站高压电气设备的在线测温工作提供科学依据和有效手段。