无线测温技术在高压开关柜监控中的应用研究

摘要：实时温度监测是保证电力系统高压设备避免因各种原因引起设备过热而造成损毁的重要技术手段。介绍了高压开关柜无线温度测量系统的构成及工作原理，并以某110kV变电站10kV配电室高压开关柜的温度监测为例，阐述了无线温度测量技术在高压设备监测方面的优越性。
关键词：高压开关柜；无线温度测量

0 引言
    目前我国电力系统正向着大电网、高可靠性、高自动化水平方向迅猛发展，电网运行自动化、智能化的监控水平已成为我国电力系统发展的关键问题。高压配电开关柜是配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路等重要作用，但在长期运行过程中，开关的触点、母线及出线连接等部位因氧化腐蚀或因紧固螺栓松动等原因至使接触电阻增大，在高负荷运行情况下，连接点发热并形成恶性循环，且发热点温度无法监测，最终导致连接部位温度过高甚至烧毁，造成事故停电。
    近年来，电力系统已发生多起因设备过热而发生火灾和大面积停电事故。据统计分析，我国每年发生的电力事故，有40％是由高压电气设备过热所致；而在采用高压开关柜和电力电缆的供电系统中，有70％以上的电缆运行故障是因为连接部位接触电阻变大、过负荷等引起接头温度过高所致。因此，对高压开关柜连接点的温度变化进行实时监测及预警是非常必要的。

1 高压开关柜传统测温方法分析
    目前，对高压开关柜进行测温的方法主要包括蜡片测温法和热红外测温法。
1．1 蜡片测温法
    石蜡片的颜色会随温度的变化而变化，因此，可利用石蜡片来测量高压开关柜的温度。具体方法是，将石蜡片粘贴于设备连接部位，根据其颜色来判断被测温度，这种方法由于原理简单、成本低廉而获得广泛应用。但其需要凭个人经验来判断温度，因而准确率和可靠性比较
低，另外也不能进行定量测量和实时在线监测。而且，对高压开关触点、电缆接头等易发热部位因为在运行时几乎看不见而无法测量。
1．2 热红外测温技术
    基于热红外的高压开关柜测温是利用红外测温枪、红外成像仪及紫外成像仪等热感应设备进行非接触式测温。其优点是测量范围大，准确度较高，可靠性较好，但是设备仪器昂贵，且需大量人力进行定期巡测，无法实现温度的实时在线监测。
    另外，由于高压开关柜内部件处于高电压、强磁场及密闭的运行环境中，测温石蜡片、热红外测温等常规的测温方式已无法实现柜内部件温度测量。目前，基于无线温度传感技术的高压供电设备温度实时监测是克服上述问题的一个比较理想的解决方案。

2 高压开关柜无线测温系统的工作原理
    基于无线测温技术的高压开关柜温度监测系统首先通过无线温度传感器感测设备表面温度，然后通过电磁波将温度信号传输至无线温度监测仪，再通过网络将无线温度监测仪连接至中心监测计算机来实现无线测温。

    如图1所示，高压开关柜无线测温系统主要由现场测量单元(无线温度传感器)、现场监控单元(无线温度监测仪)和远程系统监控终端组成。
2．1 现场测量单元
    现场测量单元主要由无线温度传感器、测量电路、逻辑控制电路、无线收发电路和供电电路组成，如图2所示。无线式温度传感器用于测量带电物体表面的温度，如高压开关柜内的裸露触点和母线连接处的运行温度。现场测量单元通过2．4G无线网络将温度信号发送到无线式温度监测。

2．2 现场监控单元
    现场监控单元主要由无线温度监测仪来实现。每个无线温度监测仪相当于一个无线接入点，可同时接入6只无线温度传感器。无线温度监测仪一般安装在高压开关柜柜体外，具有现场查询、参数设置和报警等功能。无线温度监测仪采用LCD显示器显示现场监测温度，并通过隔离RS-485工业总线接口与远程监控系统相连，将温度数据上传至远程监测终端。
2．3 远程系统监控终端
    远程监测终端安装在变电站控制室内，接收现场监控单元上传的数据，并按电力系统通讯标准规约(如电力系统101规约协议)将数据传送至变电站综合自动化系统。系统在不组网的情况下，测量单元和现场监控单元可以脱离远程控制终端运行，构成独立的测温装置，对高压开关柜触头温度进行现场监测；在组网时，可实现高压开关柜温度现场及远程两级监测。
    安装在监控系统计算机上的高压设备温度实时在线监测管理分析软件，能够实现温度实时显示、历史数据记录和对比分析、预警及报警、运行状态全程记录以及报表打印等功能。可以有效地帮助运行人员监测和分析对比高压设备监测点的温度变化情况，及时预测出故障发生的部位，从而保证高压设备的安全运行。

3 现场应用设计实例
    这里，以某110kV变电站10kV配电室高压开关柜监测为例，来说明无线测温技术在高压设备监控中的应用。如图3所示，将无线温度传感器安装在与高压开关柜内设备连接的部位(易发热点，如出线间隔与母线连接处、电缆头连接处等)。温度检测仪安装在柜体外部，每六个温度传感器共用一个温度监测仪，构成一个简单的现场无线测温网络，再通过隔离RS-485工业总线接口与远程监控系统相连，组成一个高压设备远程无线测温监控系统，实现对该变电站开关柜设备温度的在线监测。

4 无线测温系统的优点
    与传统的高压设备温度测量技术相比，无线测温系统具有如下的优势：
    (1)安全性高：它通过采用先进的数字温度传感器，避免了传感器输出模拟信号的传输受到电场、磁场的干扰。
    (2)可靠性高：通过采用先进的扩频通讯、数据纠错、自适应调频技术，有效地保证了数据无线传输的可靠性；另外，无线射频传感技术不受震动以及外界灰尘的影响，测温精度高。
    (3)智能化水平高：在常规模式下，温度值以分钟间隔进行采集并传输到监控中心，当发生突发事件导致温度升高到报警阈值或温度升速增快时，温度测量节点将进入快速反应状态，持续以秒为间隔密集采集温度并传输报警，从而避免错过任何可能的温升事故。
    (4)安装方便：无线温度传感器体积小、没有接线，可以很方便地安装在开关触头、电缆接头等安装空间狭小的被测点上。
    (5)免调试：通电即可使用，无需调试，特别适合停电时间短、安装工期紧的改造项目。

5 结束语
    无线测温系统可有效地解决电力设备接触部位无法实时监测的问题，做到对电力设备的在线监测，防止由于各种原因引起的设备过热造成设备损坏。本文以某110kV变电站10V配电室的成功应用为例，详细介绍了高压开关柜无线温度测量系统构成原理、安装和使用方法，并阐述了其现场应用的优越性。