淺談無源無線式在線測溫技術的應用與選型

時間：2021-03-18

朱鹍

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要:針對變電站10 kV開關柜斷路器、隔離開關觸頭接觸部位及其他導電排連接部位在長期運行過程中因表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動導致接觸電阻變大而引起發(fā)熱故障的問題，提出并研發(fā)了基于聲表面波技術的適用于變電站10kV開關柜關鍵點測溫的無源無線式在線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過現(xiàn)有變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)實現(xiàn)測溫信息的統(tǒng)一采集與傳輸，具有遠程智能分析和診斷、實時和歷史數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計、Web瀏覽發(fā)布和短信告警等功能，并已成功應用于中山供電局110kV泰豐變電站、文安變電站、裕豐變電站，有效監(jiān)測了10kV開關柜設備實時發(fā)熱情況，實現(xiàn)了各變電站測溫數(shù)據(jù)的集中管理，為10 kV開關柜設備狀態(tài)檢修、及時消缺提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞:10 kV開關柜;發(fā)熱;聲表面波;無源無線;溫度監(jiān)測;在線測溫

0引言

變電站10 kV開關柜隔離開關觸頭接觸部位、開關觸頭接觸部位、導電排連接部位、電纜頭連接部位在長期運行過程中，由于表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動等原因，*導致接觸電阻變大而引起接觸部位發(fā)熱、電蝕，嚴重者可燒熔連接部件并引發(fā)短路故障，造成大面積停電，降低了系統(tǒng)供電可靠性并造成重大經(jīng)濟損失。防止10 kV開關柜發(fā)熱故障是變電運行部門需長期面對的重要課題。文獻［1］明文規(guī)定:預防開關設備載流回路過熱;定期用測溫設備檢查開關設備的接頭部、隔離開關的導電部分(部位:觸頭、出線座等)，特別是在重負荷或高溫期間，加強對運行設備溫升的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)問題應及時采取措施。

目前，變電站10 kV開關柜設備溫度監(jiān)測手段大多采用試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫、有源傳感器無線測溫等三種主要方式，但上述方式存在不能實時監(jiān)測、測量誤差大、探頭易失效等問題。為此有必要研發(fā)傳感器無源無線式測溫技術，克服以往測溫方式所存在的缺陷，實現(xiàn)對開關柜關鍵部位進行溫度實時在線監(jiān)測、診斷、預警等功能，并實現(xiàn)準確測溫、傳感器可長期工作且工作壽命周期內(nèi)免維護、接收裝置換停電等要求。

本文提出并研發(fā)了無源無線式在線測溫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對10 kV開關柜內(nèi)發(fā)熱情況進行無源無線式溫度在線監(jiān)測，提高了設備運行的可靠性，并實現(xiàn)以下技術目標:

a)利用聲表面波器件的熱敏感物理特性、逆壓電效應和壓電效應，研發(fā)無源無線傳感設備，通過電磁兼容設計和編碼設計，使其應用于10 kV開關柜溫度在線監(jiān)測。

b)利用現(xiàn)有變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用統(tǒng)一的通信標準，確保數(shù)據(jù)安全，通信可靠。

c)建立智能監(jiān)測平臺，將供電局下屬多個變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)集成于同一平臺，實現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)集中管理。

1 現(xiàn)有發(fā)熱監(jiān)測手段存在的缺陷

試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫方式存在缺陷:測點多，巡視工作強度大，效率低;不能及時發(fā)現(xiàn)發(fā)熱缺陷;開關柜內(nèi)部分區(qū)域無法進行人工巡視;

無法積累歷史數(shù)據(jù)，從而分析溫升變化;無法向運行人員提供發(fā)熱告警信息;無法為設備維護、檢修提供數(shù)據(jù)支持。

有源傳感器無線測溫方式存在缺陷:傳感器電池失效會導致該測溫點無法測溫;需定期停電換傳感器電池，增加了運行部門操作、維護工作量。

2 無源無線式在線測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能設計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設計

無源無線式在線測溫系統(tǒng)由無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站、變電站無源無線測溫管理裝置、溫度傳感器組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

圖 1 無源無線式在線測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫度采集收發(fā)器通過天線**傳感射頻信號，無源無線溫度傳感器被動返回溫度對應頻率信號;溫度采集收發(fā)器接收到反饋信號后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)打包，轉(zhuǎn)送至變電站無源無線測溫管理裝置，利用TCP/IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，完成站內(nèi)開關柜溫度監(jiān)測設備通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，通過變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站，供班組對設備運行溫度進行監(jiān)測和分析，以設備的穩(wěn)定運行。

變電站端無源無線測溫管理裝置對本站設備運行溫度數(shù)據(jù)進行管理，具備查詢實時運行數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、報表生成、短信告警等功能。

無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站對接入各變電站的設備溫度數(shù)據(jù)進行管理，由班組進行建設和維護，相關人員可通過Web瀏覽方式查詢實時運行數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、報表信息等，并通過Web頁面完成對系統(tǒng)的臺賬管理、通道管理、用戶管理等系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)具有很好的開放性、可擴展性、可移植性、易維護性、可靠性和安全性。

2.2 功能設計

無源無線式在線測溫系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)集中監(jiān)測供電局各變電站10 kV開關柜等運行設備的實時和歷史發(fā)熱信息，并實現(xiàn)一致的通信規(guī)約。系統(tǒng)功能主要有:

a)實時監(jiān)控。通過圖形、數(shù)字和曲線方式，監(jiān)控廠站實時告警概況、設備實時告警、設備實時溫度數(shù)據(jù)，提供對告警的確認和處理等功能。

b)數(shù)據(jù)查詢。通過多種圖表、曲線等形式查詢和分析當前及歷史數(shù)據(jù)。

c)趨勢曲線。提供在線瀏覽趨勢曲線，可按時間段查詢。

d)日志服務。對用戶維護的系統(tǒng)應用設備，用戶登錄的操作進行日志登記，并提供對日志的分類和分時段查詢。

e)分析診斷?？梢赃M行任意測溫點分組，同時刻多點數(shù)據(jù)對比查詢、閾值分析，智能診斷功能。

f)報表管理。能夠輸出報表，可根據(jù)客戶輸入需求自動形成報表，并具有對比和導出功能。

g)用戶管理。對用戶操作權限分級管理，提供信息的同時，保護**數(shù)據(jù)，降低維護成本。

h)系統(tǒng)設置。方便添加、刪除相關廠站，并對應用廠站使用的通訊接口，廠站信息類型、數(shù)據(jù)采集周期等其他系統(tǒng)參數(shù)進行配置。

i)參數(shù)管理。對系統(tǒng)應用的基礎信息進行維護管理，提供整定預告警閾值、設置下屬設備類型及數(shù)量等參數(shù)管理功能。

3 無源無線式在線測溫系統(tǒng)關鍵技術

3.1 無源無線式溫度傳感器

所研發(fā)的無源無線式溫度傳感器采用了聲表面波溫度傳感技術，該技術采用聲表面波諧振腔結(jié)構(gòu)，當壓電晶體基片上的換能器將輸入的無線電磁波信號轉(zhuǎn)變成聲信號后，被左右兩個周期性柵條反射形成諧振，諧振頻率隨溫度的改變而改變，且在一定溫度范圍內(nèi)呈線性的關系，當換能器將聲信號轉(zhuǎn)變成無線應答信號輸出后，就可以通過測量頻率變化得到溫度值。采用聲表面波溫度傳感技術的傳感器線性度較好，測溫范圍(－20～150℃)，精度誤差(±3℃)，滿足10 kV開關柜內(nèi)隔離開關觸頭、斷路器觸頭、導電排連接等部位的溫度監(jiān)測需求。

3.2 建立一次設備運行溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)平臺

無源無線式在線測溫系統(tǒng)平臺采用客戶端–服務器端(Client/Server)結(jié)構(gòu)以及瀏覽器端–服務器端(Browser/Server)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的多層次架構(gòu)，系統(tǒng)具有較好的易維護性、較高的安全性和可擴展性。在該平臺上，不僅很大程度上擴展系統(tǒng)監(jiān)測點容量，而且通過豐富的圖表、曲線等形式，對10 kV開關柜運行發(fā)熱狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)平臺自帶多種分析輔助工具，即能夠?qū)ν粶y溫點歷史溫度數(shù)據(jù)追溯，有效分析設備運行發(fā)熱趨勢，也能夠?qū)Χ鄠€相關測溫點數(shù)據(jù)比較，以便*找出運行發(fā)熱異常的設備。

3.3 安全的Web瀏覽發(fā)布功能及短信告警功能

無源無線式在線測溫系統(tǒng)采用PowerDynamo+HTMLDataWindow的B/S三層結(jié)構(gòu)解決方案，以實現(xiàn)授權用戶通過Web瀏覽器進行動態(tài)瀏覽、查詢和打印存儲在服務器平臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。客戶端安裝任何軟件，降低用戶客戶端的配置成本，便于使用和維護。無源無線式在線測溫系統(tǒng)通過變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)了無源無線式在線溫度數(shù)據(jù)的集中采集、統(tǒng)一上傳，提供了有效的安全機制，并且可通過短信服務(short messaging service，SMS)將無源無線式在線測溫系統(tǒng)內(nèi)的實時告警信息及時轉(zhuǎn)發(fā)至班組的值班手機上，使之及時獲知設備發(fā)熱告警的信息，以便及時采取控制措施，進而消除隱患。

4系統(tǒng)點

4.1 應用聲表面波傳感器實現(xiàn)了無源溫度準確測量和遠距離無線采集

無源無線式在線測溫系統(tǒng)優(yōu)化了電磁兼容設計以抑制干擾，研發(fā)了**射頻模塊使無線信號傳輸距離不少于2 m。當經(jīng)天線**出的激勵信號被傳感器的諧振器接收后，經(jīng)逆壓電效應轉(zhuǎn)換為同頻聲信號，該信號受聲表面波器件熱敏感特性影響，傳遞過程中信號特征被改變，反射回的電磁波信號反映了溫度變化信息，通過信號對比處理，使系統(tǒng)實現(xiàn)在高壓環(huán)境內(nèi)對關鍵部位進行溫度準確測量和遠距離無線采集。

4.2 解決了10 kV開關柜同區(qū)域內(nèi)多傳感器同時應用的編碼難題

10 kV開關柜內(nèi)關鍵測溫點主要包括斷路器觸頭、隔離開關觸頭及其它導電排連接部位，傳感器編碼數(shù)量一般在12個左右，而國內(nèi)外現(xiàn)有相關產(chǎn)品均在6個以內(nèi)，面臨開關柜區(qū)域內(nèi)多傳感器同時應用識別難題，無法滿足區(qū)域內(nèi)多測溫點監(jiān)測數(shù)量要求。

無源無線式在線測溫系統(tǒng)以聲表面波諧振型測溫技術為主，同時融合延遲線技術，選用低損耗的LiNbO3晶體，制成單端口諧振型聲表面波溫度傳感器，通過對聲表面波(surface acoustic wave，SAW)器件上反射柵不同的位置排列獲得不同的返回脈沖時序組合，以此識別多個溫度傳感器。另參考國內(nèi)外對SAW傳感系統(tǒng)的研究成果，采用新型24位A/D轉(zhuǎn)換器件，高速數(shù)字信號處理器制成無源無線溫度采集收發(fā)器，通過正交相位檢測法對反饋信號進行測量，提高了對多個傳感器的溫度信息識別能力，率先實現(xiàn)了10 kV開關柜區(qū)域內(nèi)12個不同編碼傳感器的同時可靠應用，滿足了10 kV開關柜內(nèi)設備溫度測量布點數(shù)量需求。

4.3 降低了開關柜內(nèi)結(jié)構(gòu)對無線信號屏蔽影響

考慮到10 kV開關柜種類繁多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性大，一般分為多個腔室，對信號的傳輸有一定屏蔽影響，因此設計溫度采集收發(fā)器共有4條天線路徑，12個無源無線溫度傳感器可任意選擇其中一條路徑通道工作。溫度采集收發(fā)器通過柜體內(nèi)布線方式將天線分布到每個腔體，達到信號激勵、采集較好狀態(tài)。設備能管理4×N(N=3、6、9、12)個傳感器，充分滿足10 kV開關柜測溫應用。

5應用案例

無源無線式在線測溫系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于中山供電局110 kV泰豐變電站、文安變電站、裕豐變電站，對變電站內(nèi)大電流柜和電容柜的隔離開關觸頭等部位加裝了無源無線式測溫裝置，實現(xiàn)了對上述10 kV開關柜隔離開關觸頭接觸部位發(fā)熱情況的實時在線監(jiān)測、診斷、預警功能。該系統(tǒng)自2012年12月投運一年多以來，運行情況穩(wěn)定，各項功能應用正常，測溫數(shù)據(jù)與預防性試驗結(jié)果吻合，解決了10 kV開關柜內(nèi)關鍵部位發(fā)熱信息獲取的復雜性和安全性的難題，對提高電網(wǎng)10 kV用戶供電可靠性發(fā)揮了重要作用。

6 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型

安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O計思想，結(jié)合自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術而設計的一款的無線測溫軟件。

6.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進行通信（如圖2），系統(tǒng)設計遵循**標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設計依據(jù)軟件工程的設計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

圖2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關故障、告警等信息

■溫度查詢

溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

查詢各回路設備運行溫度報表.

■實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設備具有實時報警功能，設備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。

■設備提供以下凡種告警方式：

a.彈岀事件報驚窗口.

b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.

C.短信吿警，可以向*手機號碼發(fā)送吿警信息短信（需選配短信貓）.

■歷史告警査詢

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

■用戶權限管理

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為**系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全**。

■定值設置

用于修改高溫定值、溫定值。

■WEB（可選）

展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量需要斷路器提供輔助觸點支持）。

能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。

運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設備的通信狀態(tài)。

■手機APP（可選）

設備數(shù)據(jù)員面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。

6.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖3）。

圖3 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

6.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

6.3.2 安科瑞無線收發(fā)器

無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

6.3.3 安科瑞顯示終端

顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

7 結(jié)束語

無源無線式在線測溫系統(tǒng)有效地解決了開關柜采用試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫、有源傳感器無線測溫等方式的缺陷，提升了變電運行部門設備發(fā)熱運維管理水平，可有效杜絕設備接觸部位因發(fā)熱而引發(fā)的設備事故，同時還將運行人員從繁重、低效的開關柜測溫巡視工作中解放出來，大大地提高了工作效率。該技術除了可以應用在開關柜測溫外，還可以推廣到變電站主變、電容、電抗、斷路器、隔離開關等其它一次設備測溫，應用范圍廣泛，具有實用推廣**，對變電站測溫技術的發(fā)展有著積極推動作用。

【參考文獻】

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[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.

作者簡介：朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為企業(yè)能源管控

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