淺談基于鉑電阻的高壓隔離開關(guān)無源無線測(cè)溫系統(tǒng)

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：基于感應(yīng)取電和無線通信技術(shù)，結(jié)合隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行在線測(cè)溫相關(guān)技術(shù)的理論分析與驗(yàn)證，解決在高電壓強(qiáng)電磁環(huán)境中在線測(cè)溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸、傳感器工作能源供給、設(shè)備高可靠性等方面的難題，通過溫升試驗(yàn)，分析隔離開關(guān)不同影響因素作用下的觸頭溫度分布，在試驗(yàn)研究隔離開關(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(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，研制出相應(yīng)的在線測(cè)溫裝置，并在運(yùn)行的戶外高壓隔離開關(guān)上進(jìn)行應(yīng)用。提出適用于隔離開關(guān)的低成本有效率的觸頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)觸頭的異常發(fā)熱缺陷，對(duì)保證設(shè)備運(yùn)行、提高供電可靠性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：高壓隔離開關(guān)；鉑電阻；無源無線；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；測(cè)溫系統(tǒng)

       近年來，隨著中國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入推進(jìn)，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備智能化和運(yùn)行可靠性的要求越來越高。隔離開關(guān)是電網(wǎng)中裝用量大的高壓開關(guān)設(shè)備，運(yùn)行環(huán)境惡劣、電壓高、電流大，觸頭溫度會(huì)對(duì)其運(yùn)行可靠性產(chǎn)生重要的影響。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，由于敞開式隔離開關(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(jī)械變形松動(dòng)、合閘不到位、過負(fù)荷等原因造成觸頭接觸條件惡化，導(dǎo)致觸頭過熱燒毀甚至停電的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)顯示，隔離開關(guān)故障、缺陷中，發(fā)熱問題占60%以上，因此，對(duì)隔離開關(guān)的觸頭溫度進(jìn)行測(cè)量，預(yù)防隔離開關(guān)的過熱性故障。

       目前常用的測(cè)溫方法主要有接觸式測(cè)溫、非接觸式測(cè)溫（如紅外線測(cè)溫等）、光纖測(cè)溫等。接觸式測(cè)溫通過熱傳導(dǎo)直接測(cè)量被測(cè)物體的溫度，主要采用熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度監(jiān)測(cè)方法，傳統(tǒng)的熱電偶或熱電阻測(cè)溫方法技術(shù)成熟，性能可靠，測(cè)溫精度高，但無源化和無線通信抗干擾問題還有待解決。紅外測(cè)溫技術(shù)主要基于被測(cè)物體的紅外特征，應(yīng)用紅外成像儀或紅外測(cè)溫儀進(jìn)行非接觸測(cè)量，主要用于線路巡檢，變電站高壓設(shè)備例行巡檢，但紅外線穿透力弱，需要近距離測(cè)量，很大程度上限制了紅外成像儀在高壓戶外設(shè)備上的應(yīng)用。光纖測(cè)溫是將光纖纏繞在被測(cè)設(shè)備的表面，以光作為溫度變化的載體，采用有線通信方式，把測(cè)得的溫度信息傳給監(jiān)測(cè)，對(duì)于戶外高壓開關(guān)而言，存在隱患。

       本文結(jié)合隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)、工作原理開展在線測(cè)溫相關(guān)技術(shù)的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，解決在高電壓強(qiáng)電磁環(huán)境中在線測(cè)溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無線傳輸、傳感器工作的能源供給、設(shè)備高可靠性等方面的難題，并研制出相應(yīng)的在線測(cè)溫裝置在運(yùn)行的戶外高壓隔離開關(guān)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

       高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中裝用量大、應(yīng)用廣泛的高壓開關(guān)設(shè)備，根據(jù)中國電力科學(xué)研究院有限公司統(tǒng)計(jì)的國家電網(wǎng)公司高壓開關(guān)設(shè)備裝用情況，72.5kV及以上電壓等級(jí)的高壓隔離開關(guān)裝用量是高壓斷路器裝用量的4倍左右，且價(jià)格相對(duì)較低，運(yùn)行環(huán)境為高電壓、大電流、強(qiáng)電磁場(chǎng)，長(zhǎng)期暴露于戶外面臨各種惡劣天氣，鑒于以上應(yīng)用需求，本文研究了一種低成本、效率、抗干擾力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性能好的高壓隔離開關(guān)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線測(cè)溫終端、數(shù)據(jù)集中處理器和后臺(tái)監(jiān)控3部分組成，如圖1所示。

圖1無源無線高壓隔離開關(guān)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

       無線測(cè)溫裝置的研發(fā)涉及電流互感器(TA)取電裝置的設(shè)計(jì)、鉑(Pt)電阻溫度傳感器溫度信號(hào)監(jiān)測(cè)、模擬信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)無線通信采集等各種技術(shù)。為了提高測(cè)溫系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用集成芯片，減少分立元器件數(shù)量，對(duì)系統(tǒng)的每一部分都要周密考慮、精心設(shè)計(jì)，從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始端到末端逐個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行問題分析，根據(jù)分析結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)給出解決問題的實(shí)用技術(shù)。

       無源無線測(cè)溫技術(shù)目前常用的方法有聲表面波技術(shù)和感應(yīng)取電技術(shù)。本文采用感應(yīng)取電技術(shù)，設(shè)計(jì)的無線無源測(cè)溫裝置主要由感應(yīng)取電裝置、Pt電阻溫度傳感器測(cè)溫單元和無線發(fā)射電路組成。本裝置通過充分運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部資源，對(duì)多種參數(shù)測(cè)量、處理和傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套基于TA取電、信號(hào)采集、信號(hào)處理、無線通信的無線測(cè)溫裝置，如圖2所 示。

       感應(yīng)取電裝置的原理是利用電磁波進(jìn)行能量無線傳遞，并通過控制和調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出；溫度檢測(cè)電路主要檢測(cè)來自Pt電阻的溫度數(shù)據(jù)；無線發(fā)射電路將溫度數(shù)據(jù)通過433MHz無線方式傳送至數(shù)據(jù)集中處理器，無線通信距離達(dá)300m。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖2無線無源測(cè)溫裝置外形

圖3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖

2.1感應(yīng)取電技術(shù)

       感應(yīng)取電裝置與溫度檢測(cè)電路采用一體化設(shè)計(jì)，安裝時(shí)固定在高壓導(dǎo)體上，并將高壓導(dǎo)體穿過取能傳感器，為便于安裝，本文將取能傳感器設(shè)計(jì)為卡扣式。取能傳感器通過電磁感應(yīng)提供穩(wěn)定的電源輸出，并且通過控制和調(diào)理電路在短路電流及沖擊電流下實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期低熱耗穩(wěn)定運(yùn)行，是解決高壓設(shè)備智能化傳感器供能難題的較好選擇。

       感應(yīng)取電技術(shù)原理與電流互感器類似，能夠很好地解決傳感器的供電問題，且體積小、安裝方便。感應(yīng)取電裝置的電路主要包括隔離穩(wěn)壓電路、取電調(diào)節(jié)保護(hù)電路和整流濾波模塊。取電線圈從高壓導(dǎo)體上感應(yīng)出交流電壓，經(jīng)過3個(gè)電路的調(diào)理后，可以輸出穩(wěn)定的直流電壓給測(cè)溫傳感器使用。其原理如圖4所示。

       感應(yīng)取電裝置通過取能互感器從高壓導(dǎo)體上獲取電能，但電壓和電流擾動(dòng)較大，所以設(shè)計(jì)了取電電源模塊，對(duì)其進(jìn)行整流濾波處理并實(shí)現(xiàn)隔離穩(wěn)壓輸出。取電電源模塊內(nèi)設(shè)置取電調(diào)節(jié)保護(hù)電路，不僅能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)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(dǎo)體電流不穩(wěn)定時(shí)仍能輸出穩(wěn)定的電壓。

圖4感應(yīng)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(dǎo)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(yīng)取電裝置可以根據(jù)高壓導(dǎo)體的電流大小和測(cè)溫傳感器所需的功率調(diào)節(jié)工作模式，3種工作模式主要有待機(jī)模式、間斷工作模式、正常工作模式。

       （1）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)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(jī)狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓為零，為待機(jī)模式，這種情況下隔離開關(guān)一般為停電狀態(tài)，不需要測(cè)溫。

       （2）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體有一定的電流，可以支持模塊啟動(dòng)，但不足以長(zhǎng)期支持測(cè)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，這種情況下隔離開關(guān)可能處于調(diào)試或者試驗(yàn)狀態(tài)。

       （3）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體的電流足夠大，可以支持測(cè)溫傳感器長(zhǎng)期工作時(shí)，取電裝置正常輸出測(cè)溫傳感器所需的功率，輸出穩(wěn)定的電壓，為正常工作模式，這種情況下隔離開關(guān)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度。

2.2 Pt電阻溫度傳感器接觸式測(cè)溫單元

       采用基于Pt電阻的無源無線溫度監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)變電站隔離開關(guān)易發(fā)熱部位溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。在隔離開關(guān)的導(dǎo)電臂上埋設(shè)熱電偶或熱電阻等測(cè)溫傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，這種方法是接觸式測(cè)溫，其測(cè)量度高，測(cè)量范圍大，不受中間介質(zhì)影響，可以實(shí)現(xiàn)微功耗測(cè)量。

       Pt100是一種廣泛應(yīng)用的金屬熱電阻，在–50~600℃時(shí)測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾力強(qiáng)。本文從測(cè)溫系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，為降低開發(fā)成本、擴(kuò)大適用范圍，設(shè)計(jì)了一種以Pt電阻為溫度信號(hào)采集元件的接觸式傳感器溫度測(cè)量系統(tǒng)。

       Pt電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，本文通過對(duì)Pt測(cè)溫方法的研究，以運(yùn)算放大器電路為校正補(bǔ)償方法，結(jié)合線性插值軟校正方法，進(jìn)行非線性校正，有效地解決Pt電阻測(cè)溫電路的非線性誤差問題，提高了測(cè)量精度，測(cè)溫電路如圖5所示。Pt電阻采用PC工程塑料封裝，抗高強(qiáng)度跌落和震動(dòng)，防浸泡、防沖擊，滿足工業(yè)環(huán)境要求。

圖5兩線制接法橋式測(cè)溫電路

2.3無線發(fā)射電路測(cè)溫裝置數(shù)據(jù)采集方案

       本文研制的測(cè)溫裝置通過安裝在高壓隔離開關(guān)觸頭上的Pt100溫度傳感器，連續(xù)測(cè)量隔離開關(guān)觸頭溫度，對(duì)觸頭的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過433MHz無線通信方式發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器處理，數(shù)據(jù)集中處理器顯示當(dāng)前溫度，并把測(cè)量結(jié)果通過無線通信上傳到監(jiān)控，由后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)。

       監(jiān)控接收到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，分析確定各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是否正常。當(dāng)有數(shù)據(jù)異常發(fā)生，及時(shí)給出相關(guān)提示，并通過局域網(wǎng)傳送到監(jiān)控，保存到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)顯示在不同的計(jì)算機(jī)屏幕上，并且根據(jù)告警情況提示告警，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到不同的工作站上。

       根據(jù)DL/T664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》和《變電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)缺陷庫》，高壓隔離開關(guān)過熱缺陷可分為3類：（1）危急缺陷：隔離開關(guān)過熱點(diǎn)溫度超過DL/T593—2016《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》規(guī)定的允許溫度的缺陷；（2）嚴(yán)重缺陷：設(shè)備過熱程度較重，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(jù)DL/T664—2016和DL/T593—2016要求，綜合分析提出隔離開關(guān)過熱缺陷判斷依據(jù)如下：（1）具有合格鍍銀層的隔離開關(guān)觸頭，溫度＞90℃為嚴(yán)重缺陷，溫度>130℃為危急缺陷；（2）接頭和線夾，溫度＞80℃為嚴(yán)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關(guān)觸頭，溫度＞65℃為嚴(yán)重缺陷，溫度＞105℃為危急缺陷。

       根據(jù)上述判據(jù)，在后臺(tái)監(jiān)控設(shè)置報(bào)警閾值，對(duì)變電站高壓隔離開關(guān)觸頭等易發(fā)熱部位實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)進(jìn)行預(yù)警，能夠有效杜絕變電站火災(zāi)或停電事故的發(fā)生。

       文獻(xiàn)顯示，隔離開關(guān)導(dǎo)電回路發(fā)熱部位主要集中在觸頭接觸部位，導(dǎo)致發(fā)熱的原因主要有：（1）觸頭接觸面鍍層脫落，導(dǎo)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(dǎo)致觸頭發(fā)熱；（3）合閘不到位，觸頭夾緊力不足，導(dǎo)致觸頭發(fā)熱。

       本文依托GW6-252型隔離開關(guān)（見圖6），根據(jù)隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱原因，人為設(shè)置了3類缺陷，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(yàn)，通過大量實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證無源無線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)裝置的各項(xiàng)性能，并得出了不同缺陷情況下隔離開關(guān)溫度變化曲線，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(dǎo)致溫度微弱的提升。

圖6GW6B-252隔離開關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)

 

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(duì)溫升的影響，污穢缺陷對(duì)熱點(diǎn)溫升有顯著的影響。

       由圖9看出：在輕度蝕點(diǎn)情況下，熱點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫升為26.6℃；在重度蝕點(diǎn)的情況下，熱點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫升為27.1℃。由此說明，蝕點(diǎn)對(duì)GW6B型隔離開關(guān)的穩(wěn)態(tài)溫升影響不大，原因是GW6B型隔離開關(guān)閉合時(shí)接觸面積比較大，蝕點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面積相較于實(shí)際接觸的面積很小，對(duì)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(wěn)態(tài)溫升和正常情況下的溫升情況接近。 

 

 

5.4系統(tǒng)功能

5.5.2收發(fā)器選型

5.5.3測(cè)溫通訊終端（溫度顯示儀）選型

 

      

 

       說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場(chǎng)不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

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(xiàn)場(chǎng)）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：

       說明：Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號(hào)傳感器實(shí)現(xiàn)集中顯示，還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測(cè)溫相關(guān)就地顯示裝置實(shí)現(xiàn)集中顯示，同時(shí)還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機(jī)保護(hù)、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5.6.5低壓電氣接點(diǎn)有線測(cè)溫、變壓器繞組測(cè)溫

a）配置方案

 

       通過將無線測(cè)溫終端與感應(yīng)取電裝置安裝在高壓隔離開關(guān)上，由感應(yīng)取電裝置通過電磁互感的方式從高壓隔離開關(guān)上獲取電能，并提供給無線測(cè)溫終端，對(duì)高壓導(dǎo)體電流變化適應(yīng)能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)無線測(cè)溫的無源化，提高了性。無線測(cè)溫終端內(nèi)的Pt電阻溫度傳感器與高壓隔離開關(guān)直接接觸，對(duì)于目前應(yīng)用較多的非接觸、非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的紅外測(cè)溫方式來說，更加有效準(zhǔn)確；相比光纖有線測(cè)溫方式，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。通過數(shù)據(jù)集中處理器擴(kuò)大無線測(cè)溫終端與后臺(tái)監(jiān)控的通信范圍，可以容納多臺(tái)終端同時(shí)進(jìn)行測(cè)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關(guān)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，具有精度高、低成本、直觀可靠以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

 

[1]中國電力科學(xué)研究院.2015年開關(guān)類設(shè)備專業(yè)工作總結(jié)[R].北京：中國電力科學(xué)研究院，2016.

[2]和彥淼，李玉杰，李志兵，高山，楊景剛，李洪濤，楊蓬.基于鉑電阻的高壓隔離開關(guān)無源無線測(cè)溫系統(tǒng).

[3]安科瑞用戶變電站綜合自動(dòng)化與運(yùn)維解決方案.2021.02月版.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06月版.

 

作者簡(jiǎn)介：虞楊芳，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測(cè)溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用