智能化中壓開關柜溫度在線監測

吳偉權

（長園電力技術有限公司，廣東 珠海 519085）

0 引 言

隨著國民經濟的飛速發展和人們生活水平的提高，電能的消耗量也日益增多，智能電網的發展成為國內外電網發展的目標，中壓開關柜智能化是實現配電網自動化的關鍵點之一。中壓開關柜是配電網傳輸和控制的主要設備，提高其智能化水平、實現對其運行狀態的自行監測和控制對于整個配電網自動化水平的提高有著重要作用。

1 中壓開關柜溫度在線監測發展概述

中壓開關柜是指具有較高性能的金屬封閉控制和開關設備。中壓開關柜智能化的發展分為三個階段。第一階段是中壓成套開關設備的發展，起源于20世紀70年代中后期。這個階段主要為小型化裝置和繼電器型裝置，主要是操作自動化階段，通過一些預先設定的程序實現開關柜的自動化、程序化的操作，確保各運行狀態之間的自動轉換。操作自動化的發展為中壓開關柜智能化的發展奠定了技術基礎。第二階段主要在20世紀80年代后期。這一階段主要以開關柜的智能監控為發展目標，通過對環境參數、狀態參數、特征參數及電參數等各種參數的處理，逐步實現開關柜自身運行狀態的自動診斷分析、故障預警及故障定位等功能。中壓成套開關設備的生產初步進入智能化階段，但在智能化分析、判斷和選擇能力方面存在一定缺陷。第三階段的發展主要在20世紀80年代末和90年代初，隨著網絡通信、微電子、抗干擾、計算機及電力電子等技術的發展，自動化技術的發展日益成熟，具有測量、保護及控制等智能化功能的第三代中壓成套開關設備的生產趨于成熟。我國中壓開關柜加工技術起步較晚，隨著工藝的不斷改進和自主創新，總體上得到了較快的發展，但在小型化、模塊化方面仍與世界先進水平存在一定差距。隨著信息處理技術和電力技術的結合，在線溫度監測產品不斷改進和升級，其實用性也在逐步發展和提高。目前，市場上比較普遍應用的是智能化中壓開關柜溫度在線監測技術主要有紅外技術和光纖技術兩種。

2 紅外在線監測技術

2.1 工作原理及應用

紅外在線監測主要利用波長在0.76～1 000 m的電磁波。紅外在線監測的工作原理是根據熱輻射能量的大小來判斷其表面溫度，從而確定導體表面的溫度。紅外光輻射測溫分為非接觸式測溫和接觸式測溫，前者工作原理基于紅外輻射，其準確度受工作波長、距離系數、區域范圍及大氣測試環境等因素的影響[1]，工作難度較大，流程如圖1所示；后者基于熱敏元件工作，采用射頻或紅外進行高低電壓的隔離，測溫準確度較高，缺點是前端電源設計較為復雜[2]，流程如圖2所示。

圖1 非接觸式測溫裝置監測流程

圖2 接觸式測溫裝置監測流程

紅外在線監測所使用的傳感器芯片工作電壓在2.0～5.0 V，最低測量溫度為-55 ℃，最高為125 ℃，誤差在±3 ℃之間，其靜態工作電流為45 μA，工作能耗較低，單片機選用16位的MSP430F123，具有低壓供電、工作電壓范圍大、耗能少及使用靈活方便等優點。工作時，如果溫度過高或者相鄰兩次測溫相差較大，單片機會經過調制后發送紅光，發送內容主要有本次溫度數據、標識符及故障類型原因；如果溫度正常，單片機會隔一定時間（可以設定）發送一次，發送內容為本次溫度數據、標識符及無故障標識。由于工作時間較短，MPS430在非工作時間能耗非常少[3]。

2.2 紅外測溫監測存在的問題

工作時，由計算機軟件對電子溫度傳感器進行識別和比較，然后進行信息處理，其缺點是傳感器出現故障時，維修較為復雜。開關柜因絕緣罩、觸頭盒等設計容易對紅外光在信息傳播時造成影響，限制了該項技術的使用。非接觸式遠距離測溫方式也可以進行溫度信息采集，缺點是價格昂貴，在中壓開關設備中應用較少。紅外測溫技術受距離系數、瞬時視角、大氣環境及區域范圍等因素的影響，難以保證其準確度。

3 分布式光纖測溫技術

3.1 工作原理和特點

分布式光纖測溫技術可用于空間溫度場分布的實時監測。（1）工作原理。分布式光纖測溫技術綜合應用了光纖拉曼光譜技術、光時域反射技術、微弱信號處理技術、高頻脈沖激光技術以及光波分復技術等，能對較長距離內光纖上各點的溫度進行實時監測。該技術通過激光傳播獲取空間信息和溫度分布，工作過程為設定一定寬度和能量的激光脈沖，利用其在光纖中傳播時向后散射的光波，其狀態會受溫度的影響而改變，通過對散射回來的光波進行檢測、復用，經系統處理就可以顯示各段的溫度信息。（2）工作特點。分布式光纖測溫技術可以實現電氣配電裝置動力電纜、母線接頭部位的零距離監測，同時不受電磁干擾因素的干擾，可在高輻射、強腐蝕及強電磁干擾等極端環境下工作，同時具備連續空間測溫的特點。

3.2 分布式光纖系統的布置

3.2.1 測溫點布置

首先，確定開關柜，在敏感處分布測溫點，主要在母線搭接處、隔離閘接觸處以及電纜接頭處。如果開關柜測溫點有m處，則共有3m個監測需求。其次，溫度監測。根據分布式光纖測溫技術自由空間測溫的特點，開關柜環境溫度監測相對方便，沿著光纖布線的路徑即可。

3.2.2 測溫光纖安裝

測溫光纖不僅能傳遞信號，而且是溫度傳感器，其安裝質量對測量結果有著重要影響，因此其安裝工藝尤為關鍵。

首先，安裝時要檢查光纖的外表是否存在斷裂或者損傷的現象，觀察斷頭密封情況，布置時要盡量保持光纖自然平直，不應擠壓、打圈或者扭折等，在其端頭應標明編號。其次，安裝過程中要注意設備重點測溫點，使傳感器表面靠近發熱金屬面或母線處，然后用緊固件固定，光纖繞制要有一定的厚度，且要避免受損傷或者拉斷，直徑不小于3 cm，傳感器的安裝應滿足絕緣距離的要求。再次，光纖因其特殊的材質在彎曲敷設時圓弧直徑應大于3 cm，以免影響測量結果，其接頭應保持潔凈且應保持一定的余量，長度在10～30 cm。最后，光纖在布線后應插接，且其插接頭的凸起應和傳感器接口對應，確保對接牢靠[4]。

3.3 功能應用

光纖測溫技術在很大程度上提高了變電站人員的工作效率，主要實現預警功能和中壓開關柜敏感溫度信息監測。首先，根據開關柜內的分布式光纖反映的傳感參數轉換為溫度數據。其次，根據光纖所處空間位置溫度的變化判斷是否存在火災傾向。再次，根據各敏感點的監測溫度可以測量觸頭、電纜接頭及母線搭接處等的溫度。最后，根據溫度升級速率提供預警功能，通常電力系統溫度限值在60～80 ℃。

4 無線溫度監測系統

4.1 工作原理和特點

無線溫度監測系統是在線監測開關柜高壓電接點溫度，并對高溫過熱情況及時報警的信息系統。該系統使用的是物理接觸式測溫傳感器，該傳感器的測溫精度高，測溫方式穩定。無線溫度監測系統吸收了測溫和無線通信的優勢，通過將物理接觸式測溫探頭貼在所需測量溫度的位置，并通過無線傳輸的方式將溫度數據傳遞至接收裝置，通過接收裝置顯示溫度，一旦溫度超出預設范圍，就會產生預警告警反應，提醒操作主體及時消除事故隱患。該系統采用低功耗設計、無線測溫等技術，具有隔離徹底、安裝方便、抗干擾能力強及工作可靠等特點[5]。

在保證開關柜的原運行環境下，無線溫度監測系統的設備投入少、改動少，對于新、舊設備也可快速改造。無線測溫采用物理接觸式傳感器，精度高，不易誤報；數據傳輸目前可選擇DTU或4G網絡組網，方便監控[6]。

5 智能化中壓開關柜溫度在線監測技術發展展望

智能開關設備是將信息技術融入到傳統電氣開關設備，以數字化信息的獲取、處理及利用為基礎，對電氣設備的性能指標、設備自身的可靠性和安全性進行優化提升。

目前，智能開關設備的研究主要集中在通過電網智能開關設備的增加來提升感知、判斷故障及執行線路保護的功能。通過在設備加裝各類傳感器來主動、集中采集設備的運行狀態，并將采集到的模擬信號轉化為數字信息進行即時處理。借助智能化開關柜溫度在線監測技術和設備，也可以將采集到的溫度信息通過高速網絡交互接口傳送到遠方的控制中心進行管理和處理。

基于光纖、光波等智能化中壓開關柜溫度在線監測技術應用的成熟化，中壓開關設備中溫度在線監測的智能化將是未來研究的新內容，即通過高性能、新材料及低污染設備的研發和應用來打造更加智能化、集約化的中壓開關設備，以適應智能化發展的要求。

6 結 論

智能化中壓開關設備是通信、微電子、計算機及控制等多種技術的融合，是目前和未來行業關注的焦點，其性能的提高具有重要的意義。溫度在線監測作為中壓開關柜智能化進程的重要組成部分，在開關設備中應逐步推廣和應用。