無源無線熱故障管理系統在66 kV變電站的應用

裴彥東，于琳琳，趙 睿，曾先楠

(國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001)

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無源無線熱故障管理系統在66 kV變電站的應用

裴彥東，于琳琳，趙 睿，曾先楠

(國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001)

在電力系統中，各類設備的開斷接觸點可能因為松動、老化等原因造成接觸電阻增大，使觸點溫度不斷上升，給電網安全帶來隱患。無源無線熱故障管理系統采用了聲表面波(SAW)傳感技術，文中介紹了該技術的優勢、工作原理及在66 kV變電站的應用情況，為電力測溫提供最優解決方案。

聲表面波；無線；無源

在66 kV變電站中，高壓電氣設備的觸點由于長期暴露在空氣中、電弧沖擊、老化等原因可能造成其接觸電阻增大，接觸點溫度升高，給變電站及電網的安全穩定運行帶來隱患，容易引起起火爆炸、大面積停電、人員傷亡等災難事故，直接和間接經濟損失巨大。因此，對電力設備的溫度進行在線監測，及時排除隱患，得到越來越多行業的認可和重視。

傳統的紅外、光纖和有源無線測溫系統在安全性、可靠性、經濟性、實時性等方面存在一定的技術缺陷。無源無線熱故障管理系統采用了SAW傳感技術，兼有無源和無線兩大特點，具有安全可靠、成本低、實時性好、便于維護等優點，為電力測溫提供了最優解決方案[1]。

1 技術優勢

a. 無需電池。SAW傳感器采用被動感應方式，無需電池驅動，減少了電池更換帶來的維護成本，同時不會對生態環境造成影響。

b. 安全可靠。無線溫度采樣方式無需在被測點或相關支撐結構上連線， 傳感器與接收設備之間無電氣聯系，從而實現了高壓隔離，保障設備安全運行。

c. 安裝方便靈活。無源無線溫度傳感器體積小，且與讀入器之間數據無線傳輸，安裝方便靈活，不受開關柜結構和空間影響。

d. 環境適應性好。溫度傳感器通過匹配軟件校正后已經補償了傳感器制作過程中的偏差。傳感器可在任何工作溫度范圍內的溫度進行調試，不會受季節因素影響。通常情況下，傳感器只在安裝后調試1次，并保持多年不需再校正。 同時，灰塵堆積等環境因素不會對SAW傳感器測溫產生影響。

e. 成本低。SAW 傳感器的價格比其它傳統測溫方式低，同時，無源無線的工作方式也使本系統的安裝、維護成本大大降低。

2 工作原理

系統主要由裝在開關柜內的聲表面波無線測溫傳感器和能無線連接多個溫度傳感器的讀入器組成。讀入器的天線嵌在開關柜內壁，可以屏蔽外部的電波干擾[2]。其工作過程是：讀取器發出電磁掃描信號，探頭接收到電磁波信號并由叉指換能器轉換成其內部工作的聲表面波；聲表面波再經叉指換能器轉換成電磁波信號經由天線返回到讀取器；聲表面波的傳播特性與溫度有線性特征關系，從而使探頭返回的回波信號具有溫度特征；讀取器提取探頭返回的電磁波信號特征，就能獲得溫度信息，從而實現無源無線的溫度監測，如圖1所示。

圖1 無源無線熱故障管理系統測溫原理

無源無線溫度傳感裝置由如下部件構成：1組傳感器和1個讀入器(射頻發射/接收器)，讀入器與1個或多個聲表面波振蕩器的傳感器無線連接。

2.1 傳感器

傳感器表面波技術應用了晶體材料的物理特性。晶體物理特性的改變通過壓電感應原理被自動轉化成電信號。傳感器的工作原理是將射頻信號發射到壓電材料表面，然后將受到溫度影響的反射波轉回電信號而獲取溫度數據[3-4]。表面波技術是利用傳感器的被動工作原理，即在非常規的運行環境下(高電壓、高電流)實現無線溫度數據采集，如圖2所示。

圖2 傳感器表面波溫度采集原理

2.2 讀入器

基于振蕩器頻率變化的無線傳感器需要1個合適的讀入器，該系統采用時域型讀入器，在采樣流和正交基帶上的雙差在相下變頻。雖然頻道外的雜波連續性較差，但直接下轉和單相差轉換是可實現的。離散傅立葉變換(DFT)用來分析同相和正交樣本，以獲取能量譜密度(PSD)和適用于差值的PSD曲線。雖然這些額外的步驟增加了電子產品的復雜性和計算負擔，但它克服了單純頻域方法的局限性。

接收器上的頻域飽和效應與調幅(AM)/調頻(FM)中的效應是相同的。如圖3所示，在時域情形下，飽和度通常使振蕩器變小的速度更慢，更均勻，因此準確度提高。然而飽和度應有所限制，以防止惡化的雜散信號抑制比。顯示Q值為10 000的振蕩器衰竭曲線。藍色線代表沒有飽和的接收信號，紅色、紫色和黑色代表2倍、5倍和10倍放大的飽和曲線，數字化波型的衰減時間分別增加了2.5 ms、6 ms及8.5 ms。

圖3 接收器上的頻域飽和效應圖

聲表面波振蕩器的Q值是一個非常重要的參數，即卸載Q值和上載Q值。它們由輔時電阻及天線損耗內阻決定。如圖4所示，1個卸載Q值近12 000的振蕩器需要接收至少上載Q值6 000的信號強度，Q值近7 500的低Q振蕩器也顯示在此圖上?？梢?，遞減的脈沖寬度使接收功率減少了3 dB。

圖4 高Q值的聲表面波反應曲線圖

由于脈沖遞減太快，上載Q值曲線處于低位。對卸載Q值為7 500的振蕩器的分析如圖4所示，接收功率減少了3 dB。當然振蕩器必須設定在測量感興趣的溫度范圍內，頻率對溫度漂移的限制等因素是基于對靈敏度、準確度及行業規定的考慮。當系統依賴一個單一的振蕩器頻率以獲取相關的溫度信息時，根據精確度的要求，傳感器必須校準。在高溫情況下，理想的情況是傳感器具備低老化過程，在較長時間內不需校準而保持準確性。典型經過特別處理的振蕩器老化曲線如圖5所示。圖5中顯示，隨時間的延長，頻率漂移的幅度較小。使用不同頻率及溫度特性的振蕩器可減小測量上的誤差。由圖5可知，老化過程非常平穩，這使得溫度測量的精度非常高。

圖5 3個溫度段聲表面波傳感器的老化曲線

3 技術應用

無源無線熱故障管理系統在鞍山代東66 kV變電站主要應用在高壓開關柜中。 1臺開關柜安裝1組 (上下觸點共6個)無源無線溫度傳感器，用來測量各觸點溫度，傳感器溫度監測信息的收發和管理由1個讀入器統一完成。

3.1 系統軟件設計

由1個溫度監測終端統一進行本區域內所有開關柜內設備觸點包括其它外露設備觸點在內的溫度監控信息的采集、存儲和管理。溫度監測終端通過485數據接口按照指定的標準規約傳入電力專用監控網絡，在監控系統中實現遠程在線溫度監控、分析及預警，具體監控界面如圖6所示。

圖6 無源無線熱故障管理系統監控界面

3.2 具體功能

a. 檔案管理：建立各級開關柜溫度監測及管理網絡，管理溫度監測相關的各類設備檔案。

b.參數設置：指定開關柜或1個具體的溫度傳感器進行參數的遠程下發，設置內容與溫度監測終端相同。

c.溫度告警方式：在桌面上彈出告警界面，并發出遙信信號，發送短信到相關運行管理或調控工作人員。

d.溫度監控：指定開關柜或1個具體的溫度傳感器進行溫度數據的實時遠程抄讀。

e.歷史溫度查詢：提供時間段、指定開關柜等多種查詢條件，對查詢結果提供表格和溫度曲線等展現方式。

f.故障診斷：通過開關柜溫度與實時負荷對照等手段，對溫度異常情況進行故障排除。

g.溫度預測：根據已有的溫度數據及其變化規律，按照既定的預測算法為用戶提供溫度預測結果，并將預測值與預警值進行比較，發現異常時發送溫度告警信息。

h.統計報表：系統自動生成各類統計報表，如按變電站、電壓等級、開關柜型號等進行溫度異常情況統計。

i.數據發布：各類統計報表在系統門戶發布，同時也提供郵件發送功能。

3.3 系統組成

無源無線熱故障管理系統組成如圖7所示。

圖7 無源無線熱故障管理系統組成

3.3.1 溫度傳感器

傳感器具有1根小的接收發送天線，在測量過程中將自身的諧振頻率通過電磁波傳給采集器，由采集器進行計算得到傳感器接觸點的溫度。傳感器的識別是通過頻分多址實現的，即在(433±6)MHz的帶寬中分出 6個不同帶寬的頻率段，每個傳感器占用其中的1個頻率段來實現對傳感器身份的識別，由于這個特點，要求每個獨立空間中最多分布6個傳感器，且頻率帶寬必須互不相同，即傳感器的編號必須互不相同。

3.3.2 數據采集器

在測量過程中需要完成對傳感器的詢問和對傳感器的溫度進行計算的功能。每個采集器最多可支持 4根天線，24個傳感器,每6個為1組分布在4個獨立空間中，并且每組中每個傳感器所占頻率帶寬必須互不相同，確保占用相同頻率帶寬的傳感器不會相互干擾。通過對不同編號的傳感器進行詢問，隱含的指定了相應的天線端口，即：天線 1端口對應傳感器編號為 1—6，天線 2 端口對應傳感器編號為 7—12，天線 3 端口對應的傳感器編號為13—18，天線 4 端口對應的傳感器編號為 19—24，因此指定傳感器編號就指定了天線端口。

3.3.3 數據采集器天線

采集器天線在測量過程中需要完成對傳感器詢問電磁波的發射和返回電磁波的接收。天線在安裝位置上要盡可能考慮到電磁波傳輸的穩定性和可靠性，例如天線上下左右盡可能離金屬遠一些，天線的周邊盡可能減少障礙物等。采集器天線與傳感器之間的距離最好在2 m以內。

3.3.4 監控終端

一個監控終端可以連接多個采集器，終端與采集器通過RS485網絡連接，采用MODNUS規約。監控終端可以將各個測量點的溫度值及報警信息上傳給上級監控系統。監控終端也可以提供無源報警接點，將該接點接入本地測控系統，進而將故障信號上傳給上級監控系統。監控終端除了記錄、統計、上傳數據外，還具有本地讀取瀏覽溫度數據及故障報告的功能。此外該終端還具有對傳感器進行溫度校準的功能。

溫度監測終端主要完成溫度的本地顯示、告警功能以及提供與監控專網的數據接口。溫度測量可按照設定的頻率自動進行各傳感器溫度信息的采集，也可響應遠程監控系統發出的實時采集命令。溫度顯示是通過LCD顯示屏顯示各開關柜各觸點當前溫度信息、歷史溫度數據、溫度變化曲線。當溫度或其上升率超過上限值時，通過遙信、指示燈、短信等方式報警。參數設定功能可對傳感器溫度校準、各類預警值，時間、溫度采集頻率、傳感器發射功率、信號接受門限等進行設定，數據存儲可存儲歷史溫度測量值，存儲周期可設定。

通信接口是下行與讀入器之間采用總線或無線自組網方式，而上行通過RS485接口接入電力監控專網，傳輸溫度監控信息。

3.3.5 應用軟件

開關柜溫度監測系統的應用軟件主要功能包括各溫度傳感器設備溫度監測各項參數設置、溫度信息的遠程獲取、綜合查詢分析以及溫度預測報警等。

4 無源無線熱故障管理系統應用情況

2014年初，66 kV代東變的1號主二次開關柜由于觸頭運行發熱，觸頭盒長時間在高溫下運行，加劇老化過程，絕緣性能下降最終發生短路事故。事故中整個主二次開關柜燒毀，并造成大面積停電。此次改造過程中，在主二次開關柜的6個觸頭內安裝了1套無源無線熱故障管理系統，目前已運行將近1年，設備運行穩定，能夠實時、準確監視6個觸頭的溫度數據。該數據為運行人員監視、分析開關柜的運行情況提供了可靠依據。

15臺開關柜共計15套無源無線溫度傳感裝置，每套含傳感器 6個、讀入器1個。變電站主控室安裝溫度監測終端 1臺。每個開關柜的 6個傳感器分別安裝于母排三相進線和出線的6個觸點；變電站主控室安裝1臺溫度監測終端； 監測終端與讀入器通過總線進行數據通信(通過變電站的架空電纜層走線)；監測終端將所有開關柜的溫度信息通過485接口接入變電站監控系統，在監控系統中實現溫度實時監測、告警、預測等應用功能。

[1] 劉明娥.一種實用的溫度采集接口電路[J].東北電力技術，1995，16(6)：60-62.

[2] 凌偉平，徐蘊鋒.電力電纜溫度在線監測系統的開發與應用[J].東北電力技術，2012，33(3)：41-43.

[3] 何小飛，王 銳，李江陵，等.基于模糊狀態量的二次設備狀態檢修模型研究[J].東北電力技術，2015，36(4)：6-9.

[4] 宿元斌，宿 莜，何建廷.高壓開關柜無源無線溫度監測系統的研究[J].制造業自動化，2013，35(8):32-35.

Application of Wireless Passive Thermal Fault Management System in 66 kV Generation Substation

PEI Yandong，YU Linlin，ZHAO Rui，ZENG Xiannan

(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

Because of various equipment open contact is loose or aging, impact causes such as contact resistance increases.It results in the contact temperature rising anddoes harm to power grid security. This paper introduces a kind of passive wireless hot fault management system which adopted the surface acoustic wave (SAW) sensor technology.It shows advantages, operating principles and application statusin 66 kV Generation Substation.It Provides optimal solutions for Electric power measuring temperature.

surface acoustic wave；wireless；passive

TM63;TM76

A

1004-7913(2017)06-0037-04

裴彥東(1983)，男，碩士，工程師，從事繼電保護工作。

2017-02-05)