高壓輸電線在線測(cè)溫裝置的研制

李之中,曹翊軍,程鴻雨,錢志金,孔　靜,潘　琪

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，南京市　211000)

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高壓輸電線在線測(cè)溫裝置的研制

李之中,曹翊軍,程鴻雨,錢志金,孔靜,潘琪

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，南京市211000)

介紹了一種100 kV以上高壓輸電線在線測(cè)溫裝置的研制過程。敘述了測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)形式、溫度芯片的選擇、無線通信方式的選擇、天線罩材料的選擇等，總結(jié)了高壓輸電線在線測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該裝置測(cè)量范圍大，測(cè)量精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓線在線溫度的自動(dòng)測(cè)量，技術(shù)人員不需要到達(dá)遠(yuǎn)處的現(xiàn)場(chǎng)，就能夠及時(shí)了解輸電線路的運(yùn)行狀況，具有良好的應(yīng)用前景。

高壓輸電線，在線測(cè)溫，測(cè)溫球

0　前　言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電力的需求量越來越大，對(duì)供電部門提供電力供應(yīng)的質(zhì)量(穩(wěn)定性、不間斷性及伴隨服務(wù))要求也越來越高，因此遠(yuǎn)距離高壓輸電線路運(yùn)行的安全性顯得尤為重要[1]。目前在用電不斷增長(zhǎng)的形勢(shì)下，電力系統(tǒng)長(zhǎng)期經(jīng)受負(fù)荷、暴曬、冷熱無常等環(huán)境刺激，使高壓線溫度時(shí)常發(fā)生變化，所以對(duì)于高壓線的溫度在線監(jiān)測(cè)顯得十分必要。

目前國(guó)外對(duì)于高壓線溫度監(jiān)測(cè)裝置的研究開展得較早，并且形成了一些成熟的產(chǎn)品，具體外形結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　國(guó)外高壓線在線監(jiān)測(cè)裝置照片

國(guó)內(nèi)對(duì)于高壓線溫度監(jiān)測(cè)裝置的研究起步較晚，產(chǎn)品較少，且有關(guān)測(cè)量成果的資料和報(bào)道也很少，基于以上這些原因，南京南瑞集團(tuán)公司著手研制了110 kV以上高壓輸電線無線在線測(cè)溫裝置。

1　高壓輸電線在線測(cè)溫裝置的主要組成及設(shè)計(jì)選型思路

1.1測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外高壓輸電線在線測(cè)溫裝置的主要結(jié)構(gòu)形式有：球狀結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu)、夾片結(jié)構(gòu)等。綜合考慮電暈、電磁干擾等各項(xiàng)因素對(duì)溫度測(cè)量的影響，最終確定球狀結(jié)構(gòu)，球狀結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 電磁屏蔽性能好

球狀結(jié)構(gòu)可以形成密封的金屬屏蔽腔體，使測(cè)溫電路、無線發(fā)射電路與高壓導(dǎo)線之間形成良好的電磁屏蔽。經(jīng)過調(diào)研表明電流通斷、電流突變帶來的強(qiáng)電磁干擾是影響測(cè)溫裝置正常測(cè)量的主要因素，現(xiàn)場(chǎng)安裝的高壓輸電線在線測(cè)溫裝置故障多發(fā)生在停電或送電的瞬間以及帶電安裝的過程中，因此球狀結(jié)構(gòu)的金屬密封腔體可以很好地解決這一問題。

(2) 可以避免電暈放電現(xiàn)象

對(duì)于110 kV以上的輸電線，由于電壓較高，在導(dǎo)線表面會(huì)產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。電暈放電是最常見的氣體放電形式，在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場(chǎng)的強(qiáng)度超過氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象[2]。發(fā)生電暈時(shí)在電極周圍可以看到光亮，并伴有呲呲聲，電暈會(huì)引起電暈功率損失、無線電干擾、電視干擾以及噪聲干擾等，為了減小或者避免電暈現(xiàn)象，測(cè)溫裝置的外形盡量采用球形結(jié)構(gòu)，避免有鋒利的邊緣[2]。

(3) 密封防水性能好

球狀結(jié)構(gòu)可以形成密封的金屬腔體，在上下2個(gè)半球配合面間放1個(gè)合成橡膠制成的O形密封圈，防止雨水潮氣進(jìn)入，其防水防潮等級(jí)達(dá)到連接器防水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最高等級(jí)IP68，完全可以在野外潮濕、暴雨等惡劣自然條件下進(jìn)行正常測(cè)量[3]。

1.2測(cè)溫裝置的具體結(jié)構(gòu)

測(cè)溫裝置最終選擇了球狀結(jié)構(gòu)，以下測(cè)溫裝置簡(jiǎn)稱為測(cè)溫球，測(cè)溫球的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

測(cè)溫球主要由上半球、下半球、夾具和天線罩組成，其中下半球內(nèi)安裝有測(cè)溫電路板，無線發(fā)射裝置以及電源等。

1.3溫度芯片的選擇

輸電線測(cè)溫精度要求不高，只需要達(dá)到±1 ℃即可，一些常用的數(shù)字溫度傳感器集成芯片完全可以滿足需求。并且其測(cè)量范圍可以達(dá)到-40～150 ℃，滿足對(duì)于低溫和絕大多數(shù)高溫的測(cè)量需求。

圖2　高壓輸電線在線測(cè)溫裝置(測(cè)溫球)結(jié)構(gòu)示意圖

最終選擇的溫度芯片，分辨率達(dá)到0.062 5 ℃,其工作電壓2.7～5.5 V，休眠電流為2 μA，測(cè)溫范圍為-55～150 ℃，3.3 V供電時(shí)全溫范圍測(cè)量精度可達(dá)到±0.7 ℃，在-40～105 ℃測(cè)溫范圍其測(cè)量精度達(dá)到±0.5 ℃，因此非常適用于高精度溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。該溫度芯片在整個(gè)測(cè)溫范圍無需進(jìn)行溫度校正，其從上電到完成首次轉(zhuǎn)換僅需6 ms。另外，它還提供一個(gè)溫度中斷輸出的報(bào)警功能，十分適用于低功耗溫度越限報(bào)警系統(tǒng)中。

1.4無線通信方式的選擇

目前常用的無線通信方式主要有WiFi通信方式和Zigbee通信方式，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1　WiFi通信方式與Zigbee通信方式比較表

綜合考慮到高壓線上設(shè)備必須經(jīng)過塔上設(shè)備與CMA通信，同時(shí)從功耗方面考慮，最終決定使用Zigbee通信方式。

1.5天線罩材料的選擇

天線罩是保護(hù)天線免受自然環(huán)境影響的外殼，是無線通信系統(tǒng)重要的組成部分[6]。天線罩對(duì)于其材料有以下3點(diǎn)要求：

(1) 透波性能。天線罩的適宜微波透波材料是波長(zhǎng)為1～1 000 mm，即頻率在0.3～300 GHz范圍內(nèi)，電磁波的單向透過率大于70%的材料[7]。

(2) 穩(wěn)定的高溫介電性能。天線罩材料要具有低的介電常數(shù)(ε<10)和損耗角正切值(tanδ<10-2)。

(3) 低的線脹系數(shù)。天線罩材料線膨脹系數(shù)過高將直接導(dǎo)致天線罩變形或損壞。

綜合以上這些因素，最終選擇了一種工程塑料，該材料其透波性能好，介電常數(shù)較低(ε=2.35)，可以提供天線罩的寬帶透過特性，并且其線脹系數(shù)較低，完全可以滿足測(cè)溫球天線罩材料的要求。

1.6供電方式的確定

為了實(shí)現(xiàn)微功耗技術(shù)，無線模塊平時(shí)必須掉電，通過內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)5 min(間隔可設(shè)，最小2 min)發(fā)送1條數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)后等待ACK的過程中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制命令的執(zhí)行。

該測(cè)溫裝置最終確定使用大容量鋰電池供電，它的電壓為3.6 V，年自放電率小，儲(chǔ)存壽命達(dá)10 a以上，廣泛應(yīng)用于水表，電表和燃?xì)獗碇小Ｊ褂迷撲囯姵乜梢员ＷC該裝置至少使用3 a以上無需更換電池。

2　測(cè)溫球的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)

2.1測(cè)溫球的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖3　測(cè)溫球溫度測(cè)量誤差分布圖

(1) 采用球狀金屬結(jié)構(gòu)，電磁屏蔽性能好，可以有效地避免電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)密封防水性能良好，防潮等級(jí)達(dá)到IP68。

(2) 體積小、重量輕，該測(cè)溫球直徑為16 cm，整體重量為1.7 kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的2.5 kg的重量上限。

2.2測(cè)溫球的功能特點(diǎn)

(1) 溫度測(cè)量范圍大、精度高，其測(cè)量范圍可以達(dá)到-40～150 ℃，測(cè)量精度可達(dá)到±0.7 ℃。

(2) 裝置的功耗低，一方面該裝置采用了低功耗的Zigbee通信方式，另一方面該裝置平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)通過專用Zigbee通信模塊，該通信模塊收到有效數(shù)據(jù)后先通過串口發(fā)送喚醒數(shù)據(jù)流等待終端喚醒后再將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端。

3　試驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)溫球的樣機(jī)在武漢高電壓研究所通過了高壓試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：電暈及無線電干擾試驗(yàn)、電流沖擊實(shí)驗(yàn)、溫升試驗(yàn)及雷電沖擊閃絡(luò)電壓試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，溫度測(cè)量最大誤差Δtmax=0.8 ℃≤1 ℃。實(shí)驗(yàn)表明測(cè)溫球的測(cè)量精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，裝置整體功耗低，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)　語

高壓輸電線無線測(cè)溫裝置的研制成功，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于高壓線路的導(dǎo)線溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過遠(yuǎn)程服務(wù)器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)線路進(jìn)行監(jiān)控，掌握最新的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而使技術(shù)人員不需要到達(dá)遠(yuǎn)處的現(xiàn)場(chǎng)，就能夠及時(shí)了解輸電線路的運(yùn)行狀況，有效保證電網(wǎng)運(yùn)行安全，為最大限度提高現(xiàn)有輸電線路輸送能力提供了第一手技術(shù)資料。該裝置的運(yùn)用，大大提高了供電區(qū)域110 kV以上電網(wǎng)的供電可靠性，對(duì)電網(wǎng)的“迎峰度夏”工作起到了重要保障作用。

[1]王孝敬.輸電線路導(dǎo)線測(cè)溫與動(dòng)態(tài)增容關(guān)鍵技術(shù)研究[J].江西電力，2011(01)，31-34.

[2]鄔熊.輸變電工程的電磁環(huán)境[M].北京：中國(guó)電力出版社,2009.

[3]王汝美.實(shí)用機(jī)械密封技術(shù)問答[M].北京：中國(guó)石化出版社,2004.

[4]柴遠(yuǎn)波.短距離無線通信技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2015.

[5]姜仲. Zigbee技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2014.

[6]劉麗.天線罩用透波材料[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2008.

Study and Manufacturing of Online Temperature Measurement Device for HV Transmission Line

LI Zhizhong, CAO Yijun, CHENG Hongyu, QIAN Zhijin, KONG Jin, PAN Qi

(State Grid Electric Power Research Institute/Nanjing NARI Group Corporation, Nanjing211000,China)

The study and manufacturing of one online temperature measurement device for over 100 kV HV transmission line is introduced. structural mode of the temperature measurement device, selection of temperature chip, selection of wireless communication mode and selection of antenna materials, etc are described. Characteristics of the structure of the online temperature measurement for HV transmission line are summarized. Based on the experiment data, the device is proved in terms of large measurement range and higher measurement precision. It can realize the online temperature measurement automatically. Instead of reaching remote site, technician can learn the operation of the transmission line in time and the device is with excellent application prospects. Key words:HV transmission line; online temperature measurement; temperature measurement ball

1006—2610(2016)04—0058—03

2016-02-25

李之中(1973- )，男，湖北省武漢市人，高級(jí)工程師，從事安全監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)、研究.

TM726.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.015