高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李 琮，孫英濤，呂學(xué)賓，王 寧，王思源

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李 琮1，孫英濤1，呂學(xué)賓2，王 寧1，王思源1

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

目前高壓開(kāi)關(guān)柜在電力系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，因此對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行故障診斷及狀態(tài)預(yù)判就顯得極其重要。對(duì)光纖光柵及無(wú)線有源兩種常用的開(kāi)關(guān)柜在線測(cè)溫技術(shù)的原理、應(yīng)用及局限性進(jìn)行分析比對(duì)，介紹一種新型的基于SAW傳感器的無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)組成的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以安全、可靠、準(zhǔn)確地獲取開(kāi)關(guān)柜實(shí)時(shí)溫度信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障預(yù)警及狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供有力的技術(shù)支撐。

溫度在線監(jiān)測(cè)；光纖光柵；無(wú)線有源；無(wú)線無(wú)源

Abstract:At present，high voltage switchgear has been widely used in the power system，so it is very important to diagnose and predict the fault of switchgear.In this paper，the principle，the application and the limitation of the on-line temperature monitoring technology of the fiber grating and active wireless technology are analyzed and compared.A new type of passive wireless temperature monitoring technology is introduced based on SAW sensor.Application of online monitoring system of this technique can safely，reliably and accurately obtain the real-time temperature information of the switchgear，realizing remote fault warning and monitoring.The application of this technology provides strong support for the safe operation of power grid.

Key words:on-line temperature monitoring technology；fiber grating；active wireless；passive wireless

0 引言

高壓開(kāi)關(guān)柜是一種交流金屬封閉開(kāi)關(guān)成套裝置，廣泛應(yīng)用于我國(guó)10 kV和35 kV電力系統(tǒng)中。承擔(dān)著關(guān)合、開(kāi)斷線路電流、故障保護(hù)、測(cè)量監(jiān)測(cè)等重要功能。目前電網(wǎng)中應(yīng)用最多的為金屬鎧裝移開(kāi)式戶內(nèi)安裝開(kāi)關(guān)柜（KYN），具有安全性高、結(jié)構(gòu)緊湊、檢修維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。但與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)柜具有全封閉的金屬外殼，長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓、大電流條件下，散熱條件相對(duì)較差，也無(wú)法通過(guò)紅外測(cè)溫等有效技術(shù)手段直接對(duì)柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)行溫度測(cè)量及監(jiān)測(cè)［1］。所以近年來(lái)，系統(tǒng)內(nèi)變電站已發(fā)生多起因動(dòng)靜觸頭、出線線纜壓接點(diǎn)等部位過(guò)熱造成的火災(zāi)或開(kāi)關(guān)柜燒損的停電事故，如圖1所示，已經(jīng)嚴(yán)重危害電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行甚至造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此采用有效技術(shù)手段對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)接頭、觸頭等重要載流連接部位實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是十分必要的，可以及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備過(guò)熱隱患，對(duì)其進(jìn)行故障診斷及狀態(tài)預(yù)判，保障電網(wǎng)可靠供電。

圖1 開(kāi)關(guān)柜故障

1 高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)柜在電網(wǎng)中的重要作用和供電可靠性逐年提高，對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行停電檢修越來(lái)越困難，因此對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及院校對(duì)開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也開(kāi)展了大量研究。目前采用的開(kāi)關(guān)柜在線測(cè)溫技術(shù)主要有光纖光柵測(cè)溫技術(shù)和無(wú)線有源測(cè)溫技術(shù)。

1.1 光纖光柵測(cè)溫技術(shù)

1978年，第一個(gè)光纖布拉格光柵在加拿大渥太華研制成功。其后光纖光柵技術(shù)發(fā)展迅猛，先后在通信、傳感器等領(lǐng)域?qū)嵱没瘧?yīng)用取得巨大突破。光纖光柵溫度傳感器技術(shù)就是其應(yīng)用成果之一。其主要原理是利用了光纖光柵的光敏性［2］，光柵的波長(zhǎng)

式中：Lb為光柵的Bragg波長(zhǎng)；n為芯模有效折射率；l為光柵周期。

當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等物理量發(fā)生變化時(shí)，光纖的光柵周期及芯模有效折射率均會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，從而導(dǎo)致光柵波長(zhǎng)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量由環(huán)境溫度引起的光柵波長(zhǎng)的變化，并將這種波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電氣設(shè)備觸點(diǎn)、連接溫度的測(cè)量。整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的框架如圖2所示，最底層為安裝在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部重要測(cè)溫點(diǎn)的光纖光柵傳感器。工作時(shí)，解調(diào)儀產(chǎn)生窄帶激光通過(guò)多路光開(kāi)關(guān)到達(dá)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)每個(gè)傳感器，若掃描光的波長(zhǎng)與光柵中心波長(zhǎng)相同此時(shí)將發(fā)生發(fā)射，反射光通過(guò)耦合器—多路光開(kāi)關(guān)的光路返回解調(diào)儀。解調(diào)儀通過(guò)解調(diào)獲得相應(yīng)溫度信息，最終通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)上送到上位機(jī)。上位機(jī)中的監(jiān)測(cè)軟件可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、分析、查詢、預(yù)警等功能。光纖光柵測(cè)溫傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但由于其應(yīng)用高分辨率光譜儀及寬帶光源，整套系統(tǒng)造價(jià)較高，同時(shí)其安裝布線較為復(fù)雜，需全部設(shè)備停電施工，有時(shí)由于光纖本身原因有可能對(duì)系統(tǒng)絕緣性能造成影響。

圖2 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 無(wú)線有源測(cè)溫技術(shù)

開(kāi)關(guān)柜無(wú)線有源測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)比較類似［3］，原理較為簡(jiǎn)單，即采用傳統(tǒng)的有源溫度傳感器直接采集測(cè)點(diǎn)溫度，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊與接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并上傳上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。其中溫度傳感器分為熱電偶式或半導(dǎo)體式，均需要提供外部電源供電。目前取電方式為電池取電或感應(yīng)取電。采用電池取電較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較高，但需定期停電更換電池。感應(yīng)取電即采用專用的供能線圈，從設(shè)備一次側(cè)電流中感應(yīng)出電壓給傳感器進(jìn)行供電，但設(shè)備一次負(fù)荷電流的變化對(duì)測(cè)溫精度影響較大，設(shè)備運(yùn)行噪音較大。總體來(lái)講，開(kāi)關(guān)柜無(wú)線有源測(cè)溫技術(shù)由于采用無(wú)線方式，安裝方便避免了布線的麻煩，但傳感器的供電及安裝是其主要問(wèn)題之一。

圖3 無(wú)線有源測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)

2 開(kāi)關(guān)柜無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)

無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型溫度檢測(cè)技術(shù)。解決了傳統(tǒng)的光纖、有源測(cè)溫系統(tǒng)在安全性、經(jīng)濟(jì)型、可靠性等方面的問(wèn)題。其最大的兩個(gè)特點(diǎn)就是“無(wú)線”和“無(wú)源”，其核心就是聲表面波（SAW）技術(shù)的應(yīng)用。聲表面波是在1885年英國(guó)著名物理學(xué)家瑞麗在研究地震波的時(shí)候偶然發(fā)現(xiàn)的，此后便進(jìn)入人們的視線并逐漸應(yīng)用到通信、軍事等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著SAW傳感器在精度、可靠性的不斷提高，逐步應(yīng)用到電力系統(tǒng)分布式測(cè)溫系統(tǒng)中［4］。

2.1 測(cè)溫原理

基于SAW技術(shù)的測(cè)溫傳感器原理如圖4所示。通過(guò)采集器向外發(fā)射高頻電磁波。SAW傳感器通過(guò)天線接收到外部電磁波會(huì)激勵(lì)出聲波在壓電晶體上傳播。不同的電磁波及外界條件會(huì)激發(fā)出不同的聲表面波。這種聲波就會(huì)攜帶溫度信號(hào)通過(guò)反射柵條返回不同頻率的電磁波，測(cè)量溫度值與傳感器的返回頻率關(guān)系為

式中：Tc為測(cè)量溫度；To為校準(zhǔn)溫度；fc為傳感器返回頻率；fo為校準(zhǔn)溫度值的頻率值；Kf為溫度頻率常數(shù)。

圖4 SAW溫度傳感器原理

通過(guò)返回的電磁波可以解調(diào)出測(cè)點(diǎn)的溫度信息。這種聲表面波傳感器讀取范圍遠(yuǎn)（2～10 m），可應(yīng)用在金屬和液體表面，適用于高溫、高電壓環(huán)境下，具有多物理量檢測(cè)能力如溫度、壓力、加速度等，同時(shí)可分布式組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，靈敏度較高。

2.2 系統(tǒng)組成

無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)組成如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)［5］。由底層至頂層分別由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)控應(yīng)用層、遠(yuǎn)程終端層組成。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層對(duì)應(yīng)智能變電站中的過(guò)程層，主要由多個(gè)無(wú)線無(wú)源傳感器組網(wǎng)構(gòu)成，一個(gè)數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)采集多個(gè)傳感器的溫度信息采用無(wú)線或串口方式上送至數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層對(duì)應(yīng)智能變電站中的間隔層，采集匯總多個(gè)數(shù)據(jù)采集器的上送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方輸入／輸出及智能傳感器的控制、通信。監(jiān)控應(yīng)用層對(duì)應(yīng)站控層，實(shí)現(xiàn)全站無(wú)線測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的集中采集、監(jiān)控、分析、存儲(chǔ)、預(yù)警及專家診斷功能。遠(yuǎn)程終端層屬于整套系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用，可以通過(guò)遠(yuǎn)程終端如手機(jī)、平板電腦等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視、告警。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的弊端，如布線、高低壓絕緣、傳感器供電等問(wèn)題，安裝方便易于實(shí)現(xiàn)。基于總線的通信方式便于進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展。可靠性和穩(wěn)定性較高，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)重要測(cè)溫點(diǎn)溫度的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程故障預(yù)警，為開(kāi)關(guān)柜的潛伏性隱患的提前發(fā)現(xiàn)和可靠運(yùn)行提供了有力的技術(shù)保障。同時(shí)基于SAW傳感器的無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)還可應(yīng)用在電力系統(tǒng)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)線纜監(jiān)測(cè)、電纜火災(zāi)預(yù)防、變壓器過(guò)載監(jiān)測(cè)、避雷器熔斷監(jiān)測(cè)、電纜觸點(diǎn)老化等眾多領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)由于此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，整套系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。下一步該項(xiàng)技術(shù)在信號(hào)抗干擾能力及傳輸距離等方面有待進(jìn)一步完善提升。

圖5 無(wú)線無(wú)源測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了開(kāi)關(guān)柜傳統(tǒng)測(cè)溫方式的不足，介紹了一種新型的基于SAW傳感器的無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)。具有安全性高、安裝方便、準(zhǔn)確可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著帶電檢測(cè)及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，不停電檢測(cè)必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的停電預(yù)試檢修。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)在提高檢修效率、故障預(yù)判、狀態(tài)評(píng)估等方面起到了積極促進(jìn)作用，必將筑起電力設(shè)備安全運(yùn)行的堅(jiān)固防線。下一步該項(xiàng)技術(shù)在信號(hào)抗干擾能力及傳輸距離等方面將進(jìn)行進(jìn)一步完善提升，有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］鄧世杰.中置式開(kāi)關(guān)柜的無(wú)線測(cè)溫方法［J］.高壓電器，2010，46（11）：99-102.

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Research on On-line Temperature Monitoring Technology for High Voltage Switchgear

LI Cong1，SUN Yingtao1，LV Xuebin2，WANG Ning1，WANG Siyuan1
（1.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

TM591

A

1007－9904（2017）09－0077－04

2017-05-28

李 琮（1985），男，工程師，從事電氣設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)工作。