隔離開關測溫在線監測技術與應用

艾 嶠 孫 燕 楊麗敏/國網寧夏電力公司銀川供電公司

隔離開關測溫在線監測技術與應用

艾 嶠 孫 燕 楊麗敏/國網寧夏電力公司銀川供電公司

該項目提出一種新的隔離開關溫度懸浮測量方案，這種技術方案的主要特點是溫度測量裝置被懸掛在隔離開關導電臂上接近觸頭的位置，懸掛點埋設了測溫元件，可以直接對觸頭附近的溫度進行測量；整個裝置通過感應交變的高壓電場來取能，屬于自供電系統，無需外加電源；測量結果通過ZigBee無線射頻技術發送到變電站的主控室，對于多個測溫節點，它們可以組成一個無線網絡。這種技術具有明顯的創新性，比目前采用太陽能或其它供能方式的溫度測量方案具有顯著的優勢。

測溫;電源;無限射頻

隨著電力系統的發展和智能電網建設的要求，高壓輸電設備（例如隔離開關）的溫度在線監測成為一個越來越重要的課題。由于隔離開關的觸頭溫升嚴重影響其安全工作性能和壽命，因此對溫度進行準確和及時的監測對于提高設備的安全性，預防事故發生具有重要的意義。相比于非接觸式紅外測溫技術，

目前國內外提出的有關高壓隔離開關溫度在線測量和傳輸系統的主要技術方案可從溫度測量、供能方式和信號傳輸三個方面概括，本文將主要從溫度測量和供能方式兩個方面描述。

1、溫度測量

對高壓隔離開關進行溫度測量的方法主要包括接觸式和非接觸式兩種。

接觸式測溫主要是在隔離開關的導電臂上埋設熱電偶或熱電阻等測溫元件進行溫度測量，這種方法的測量準確度高，成本低廉，而且可以實現微功耗測量，但是由于測量裝置安裝在高壓側，因此如何為其提供工作電源以及如何將測量數據傳遞到主控室是需要研究的問題。

非接觸式測溫主要利用紅外測溫技術，通過紅外探頭對設備輻射的溫度進行測量。采用紅外測溫，整個測量裝置可以放置在低壓側，其工作電源可以通過電壓互感器來提供，或者通過電池來供電（電池的更換比較容易）。但是紅外測溫技術比較復雜，首先不同的被測物體表面材料不同，則其輻射率也不同，因此對溫度測量準確度的影響比較大。針對不同型號和不同觸頭材料的開關，為了保證測量的準確度，紅外傳感器都需要進行繁瑣的標定工作?！?】另外，紅外傳感器與被測物體之間的安裝距離以及安裝角度也都會影響到測量的結果。最后，采用電壓互感器供電需要鋪設專門的電源線，而電池供電則需要定期維護。這些都會增加這種技術方案的成本，如果溫度測量的節點比較多，那么這種技術方案的成本也會比較高。

除此之外，光纖測溫技術研究也比較多，光纖是非常好的絕緣介質，同時也是溫度傳感元件，因此利用光纖對溫度進行傳感，而在低壓側進行溫度測量是這種方案最重要的特點?！?】不過，光纖測溫的成本比較高，特別是如果距離比較遠，并且測溫點比較多，那么造價相當昂貴。

2、供能方式

如果采用接觸式測量方案，隔離開關溫度在線測量裝置需要安裝在高壓側，因此如何提供裝置的工作電源是一個核心問題，現有的主要技術方案包括：

2.1 、電流線圈取能

這種方案的主要原理是在輸電線上套裝一個電流線圈，通過線圈互感和輸電線中的電流來取能。由于負載變化，流過電流線圈電流也會隨之變化，當負載較重時，供能充足，當負載不足時，供能又面臨不足。

電流線圈取能方式還需面對其他問題，當負載過重時，電流過大，測溫系統也不能夠正常工作，需要采用限制電流傳輸的方法，電流線圈取能方式還要能夠承受系統短路電路的沖擊，電流線圈體積較大，安裝也頗為復雜。

采用電流線圈取能方式及增加了成本，也加大了技術難度。

2.2 太陽能與風能

這種方案目前研究比較多，主要原理是通過太陽能電池板來提供能量，這種技術往往配合儲能電池一起使用，以便應付夜晚供能不足的問題。太陽能電池供電方案的主要缺點是成本較高，體積大，另外用于儲能的電池壽命有限。.還有些方案中也提出采用小風機來提供能量或者采用太陽能和小風機復合供能的方式，不過小風機的可靠性較差，特別是強風情況下容易損壞，因此使用不多。

2.3 電場感應供能

圖1 采用放電方式的感應法取能原理圖

電場感應供能的基本原理是利用高壓傳輸線的空間位移電流給一個取能電容充電，然后利用電容放電為溫度測量電路和射頻收發電路供電。高壓傳輸線的空間位移電流密度取決于電壓等級以及距離地面的高度，通常是比較小的。經測試后結果表明，在20000V電壓，距離地面2m高的地方，單位面積高壓輸電線的位移電流密度大約為0.14uA/cm2。為了能夠提供溫度測量和射頻收發電路一次工作的功率消耗以及保證最低工作時間（大約4秒），需要較大的電容器（至少1100uF以上）來實現儲能（儲能電壓需要超過35V）。如果位移電流的幅度過低，則會造成較長的充電時間，此時，充電控制電路的泄露電流的影響就不容忽視，因此整個感應法取能的主要技術瓶頸在于如何提高充電速率效率以及降低充電控制電路的泄露。為此，本項目提出的主要解決方案如圖1。

由于電容的儲能與電壓平方成正比，因此提高充電電壓會使電容的儲能大大增加（例如使一個1uF的電容器充電到800V），但是這么高的電壓對于電子設備是無法直接利用的，因此需要通過一個開關和變壓器使其向一個大容量儲能電容器放電，把電壓降下來。變壓器有兩個重要的作用：一是能夠使放電開關處于低電壓側；二是實現放電功率的傳遞。直接利用高壓輸電線對地之間的工頻交變電場來取能以維持溫度懸浮測量系統的間歇式的工作模式具有非常顯著的優勢。一方面，高壓輸電線的電壓是非常穩定的，不會出現大起大落，所以直接利用電場感應來取能是非常穩定的能量供應方式；另一方面，通過電場感應取能可以采用在隔離開關導電臂上懸掛面積足夠大的對地極板來實現（面積的大小取決于輸電電壓等級以及對地距離），實現成本是比較低。

3、信號傳輸

信號傳輸采用無線射頻技術，無限射頻技術指的是在工業、科學和醫用頻段（ISM）應用的各種射頻收發器模塊以及建立于其上的通訊協議。這個頻段只要遵守一定的發射功率就可以不需要申請許可證，從而建立起自己專屬的通訊網絡。項目研究內容的原理簡述以及技術應用。

目前在各項試驗中驗證了這種技術方案與大容量電容直接取能方式相比，可以提高儲能效率2-3倍左右。對于變電站隔離開關的溫度在線測量問題，寧夏電力公司和西安交通大學聯合提出了一種新的接觸式技術方案。在這種技術方案中，溫度測量裝置被懸掛在隔離開關導電臂上接近觸頭的位置，懸掛點埋設了測溫元件，可以直接對觸頭附近的溫度進行測量；整個裝置通過感應交變的高壓電場來取能，屬于自供電系統，無需外加電源；

由于溫度不是一個瞬變量，因此對電力設備溫升的監測往往具有一定的時間間隔。在這個時間間隔內，測量系統可以處于休眠的狀態來節省功耗，同時也可以利用這個時間間隔對測量系統的下一次工作進行儲能。如果測量系統對溫度的檢測以及傳輸所占用的時間非常短，而兩次測量的時間間隔足夠長，那么測量系統的平均功率其實是非常小的。【4】所以，電力設備的溫度懸浮測量系統需要一個穩定的但是平均功率不大的能量供應，同時供能方式的成本要足夠低以降低大量安裝這樣的設備所帶來的開銷。目前，設備已經在寧夏電力公司銀川供電局興慶變投入運行。

［1］ 李中祥，宋建成. 高壓隔離開關觸頭溫度在線監測系統的研制［J］.高壓電器，2009，45（2）：11-14.

［2］ 時斌. 光纖傳感器在高壓設備在線測溫系統中的應用［J］.高電壓技術，2007，33（8）：169-173.

［3］ 王妍. ZigBee 無線傳感器組網技術及其應用［J］.艦船電子工程，2008，28（10）：32-33.

［4］ 趙標，余俊. 熱電偶測溫及冷端補償研究與實現［J］.上海船舶運輸科學研究所學報，2013，36（1）：50-53.

艾嶠（1987－），男，陜西米脂人，大學本科，從事變電站自動化、檢修及仿真領域的研究。