電氣設備在線檢測技術

呂鯤

摘要：高壓開關柜的一次高壓部件的熱功率較大容易導致柜內電子元件的異常發熱，為了避免元件過熱導致線路短路，對柜內溫度進行實時檢測可以間接了解開關柜的運行狀態，本文以開關柜在線溫度檢測技術作為研究對象，分析現有的在線檢測技術的工作原理以及各自的缺點，分析新型的聲表面波測溫技術的工作原理和系統構成，應用該技術克服原始在線檢測技術的缺陷，以高效安全可靠地方式獲得溫度數據，實現對開關柜的狀態檢測和故障預警。

關鍵詞：開關柜;在線檢測;聲表面波

1引言

高壓開關柜作為一種高壓電網傳輸保護裝置已經廣泛應用于國家電力系統中，主要在10kV-36kV的高壓線路中使用，其主要作用有控制傳輸線路的斷開和閉合、實時監測電壓數據、線路故障保護等等[1]。高壓開關柜可靠穩定地運行對于電力傳輸有著至關重要的意義，開關柜以高集成度、檢修安全方便、高靈敏度等優點受到國家電網的廣泛使用，開關柜是一種全封閉的金屬柜結構而且高壓電流容易引發電路元件過熱，這樣不僅會導致開關柜的散熱能力不足而且無法采用紅外測溫等方式對柜內設備進行檢測，隨著中國電網的升級，傳輸電網電壓的進一步提高容易導致經常性出現開關柜內設備過熱進而誘發火災或者設備損壞導致停電等事故[2]，所以對開關柜的重要載流部件進行實時溫度檢測可以有效降低開關柜發生故障的可能性，保證高壓電網傳輸的可靠性。

2在線檢測技術發展現狀

隨著中國社會城鎮化的加速發展，城鎮居民對于用電量的需求也在不斷增大，為了優化供電效率和質量，配電站需要增加高壓開關柜的數量，開關柜的日常檢修工作要求變得更加嚴格工作內容也更加繁重，為了優化開關柜的日常檢修工作效率和工作質量，引入在線檢測技術變得尤為重要。當前應用于開關柜日常檢測的技術有兩種：無線有源測溫技術和光纖光柵測溫技術，下面具體分析兩種技術的工作原理以及存在的缺點。

2.1無線有源測溫技術

無線有源測溫技術的工作原理較為簡單，將有源測溫傳感器安裝在需要測量溫度的設備上，通過傳感器和無線傳輸模塊集成的電路向接收器傳遞溫度數據，接收器再將數據傳遞給上位機實現實時監測，這種測溫技術的最大優點是取消了繁雜的檢測電路布線采用無線傳輸數據的方式實現溫度的檢測，但是測溫傳感器的供電形式和安裝位置是該技術發展的最大阻礙，常見的測溫傳感器按照工作原理劃分可以分為半導體式[3]和熱電偶式[4]，這兩種傳感器都需要通過電池供電或者感應供電才能正常工作，對于電池供電雖然可以保證傳感器在一定時間內穩定工作但是需要長期定時更換電池，對于感應供電是通過設備的一次側電流產生的感應電壓為傳感器供電，雖然消除了定期更換電池的缺點但是一次側電流的變化對于傳感器溫度測量的精度影響極大，無法確保設備工作的穩定性。

2.2光纖光柵測溫技術

光纖布拉格光柵[5]在1978年首次研究成果，此后光纖光柵技術廣泛應用于傳感器、通信工程等領域。光纖光柵溫度傳感器利用了光纖光柵的光敏性進行溫度檢測[6]。當溫度傳感器所處環境中的溫度產生變化，光纖的光柵周期以及芯膜有效折射率均會產生變化從而導致光纖光柵的波長產生變化，借助相關的檢測電路將波長變化轉換成相應的電平進而實現對開關柜設備的溫度檢測，應用于開關柜在線檢測的測溫系統主要由光纖光柵傳感器、耦合器、多光路開關、解調儀、上位機等組成。具體工作流程是通過解調儀產生窄帶激光，窄帶激光通過多光路開關分散成波長相同的激光，最終傳遞到安裝在開關柜內部的溫度傳感器中，當設備溫度變化時光柵的波長會發生相應的變化，同時借助耦合器將激光反射到多光路開關再回到解調儀，解調儀通過解調電路將反射激光轉換成相應的溫度數據，解調儀通過網線將數據傳遞給上位機實現開關柜溫度的在線檢測。光纖光柵測溫系統具有高靈敏度、高集成度、強抗干擾能力等優點，但是該系統需要產生窄帶激光，所以系統的總體造價較高，無法適用于大范圍的開關柜溫度檢測。而且設備的安裝布線較為復雜，光纖本身對于開關柜設備的絕緣性保護也有一定影響。

3開關柜無線無源測溫技術

無線無源測溫技術是根據光纖測溫和有源測溫提出的全新測溫技術，為了解決光纖測溫和有源測溫存在的可靠性、安全性、穩定性問題，無線無源測溫技術采用不接觸設備無線傳輸的方式實現對設備溫度的檢測，其中最有代表性的技術之一是聲表面波測溫技術，聲表面波是研究人員在分析地震波時偶然發現的，之后逐漸發展應用于通信、軍工等領域。現在已經由基于聲表面波技術的測溫傳感器應用于開關柜在線檢測，下面具體分析傳感器的工作原理以及系統組成。

3.1聲表面波測溫原理

聲表面波傳感器主要由聲波采集器、壓電晶體、測溫傳感器三個部分組成，首先聲波采集器通過發射天線向測溫傳感器傳遞高頻電磁波信號，測溫傳感器會在壓電晶體上產生激勵聲波，傳感器所處的外界條件會產生相應的激勵聲波，這種激勵聲波被稱為聲表面波，聲表面波攜帶相關的物理信息借助壓電晶體上的反射柵條反射電磁波信號，最后由聲波采集器進行采集并做后續的數據分析。

例如應用于設備測溫，測溫傳感器的測量距離可以在2-10m，很好地解決了有源測溫需要將測溫傳感器安裝在開關柜內部的問題，而且通過外接電源無線傳輸的方式解決了傳統在線測溫供電和電路布置等問題，適用于開關柜所處的高溫高電壓環境。除此之外，聲表面波傳感器還可用于壓力速度等常規物理量的測量。

3.2無線測溫系統

無線無源測溫系統采用分布式分層結構，整個測溫系統從上到下可以分為四層分別是遠程終端層、實時監測層、數據采集層、設備測量層。遠程終端層是通過建立系統物聯網將移動端設備例如智能手機、平板電腦等對實時監測層進行檢查控制，不需要操作人員時刻觀察監測設備上數據的變化，極大地減輕了操作人員的工作強度;實時監測層將數據采集層獲得的溫度數據進行集中分析監控和預警，并且監測設備加入了專家診斷系統對于操作人員忽視的故障問題也能及時提醒，減少發生事故的可能性;數據采集層將設備測量層獲得的溫度數據進行匯總上傳，并且將控制信號傳遞給溫度傳感器，實現了數據的無線傳輸和對溫度傳感器的通信;設備測量層采用的是分布式組網的形式，在每一個開關柜都設置有相應的溫度傳感器，多個溫度傳感器輸出的信號由單個數據采集器進行收集匯總，數據采集器再將這些數據通過無線或許串行端口的形式傳遞到數據采集層，這樣就形成了智能變電站控制系統。

無線無源測溫系統的應用可以有效解決傳統開關柜在線測溫技術存在的傳感器供電、電路布置、線路絕緣影響等問題。無線傳輸的通信方式增加了系統的可擴展性，通過對開關柜重要載流部件的溫度實時監控以及可能性故障預警，對于排除開關柜的隱藏故障和降低開關柜的故障率等方面具有較大的幫助，除此之外，無線無源測溫技術還可以應用于變壓器的過載檢測、復雜結構線纜的溫度檢測、避雷器的熔斷檢測等等領域，在電網設備保護方面具有較為廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 高陽，谷彩連，劉寶良，吳偉晴.高壓開關柜局部放電特性分析與抗干擾研究[J].電力電子技術，2020，54（03）：15-19.

[2] 明波.封閉式高壓柜內接頭發熱事故的分析及預防[J].中國新技術新產品，2018（23）：146-147.

[3] 程路，石浩辰.半導體溫度傳感器特性研究[J].科技展望，2016，26（24）：218+220.

[4] 丁潤琦，甄國涌，張凱華.溫度傳感器S型熱電偶測溫電路設計[J].中國測試，2020，46（01）：99-104.