10kV XGN型開關(guān)柜無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃日泉 李新海 曾令誠(chéng) 林蔚 侯偉 朱文吉 周恒

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局）

0 引言

10kV開關(guān)柜在發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制和保護(hù)等作用。10kV XGN型開關(guān)柜是其中一種，主要由真空斷路器、上側(cè)隔離刀閘、下側(cè)隔離刀閘、電流互感器等元器件組成。10kV XGN型開關(guān)柜的優(yōu)點(diǎn)是柜內(nèi)空間較寬敞，檢修容易，成本較低，易于制造，可將設(shè)備、母線故障限制在局部范圍之內(nèi)，能避免事故擴(kuò)大，提高開關(guān)柜的運(yùn)行可靠性，但是隔離刀閘觸頭容易發(fā)熱，因?yàn)樵陂L(zhǎng)期運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)設(shè)備老化，緊固螺栓松動(dòng)，接觸面氧化腐蝕等問題，從而導(dǎo)致接觸電阻增大而引起接觸部位發(fā)熱，加上很多10kV XGN型開關(guān)柜長(zhǎng)期重載運(yùn)行，也會(huì)引發(fā)高溫異常。若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)可燒熔連接部件并引發(fā)短路故障，造成開關(guān)跳閘，降低了10kV供電可靠性。因此很有必要利用各種技術(shù)方法對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜進(jìn)行溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，采取預(yù)防措施，避免事故發(fā)生，從而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

以往，變電站10kV XGN型開關(guān)柜設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)手段有粘貼試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測(cè)溫儀測(cè)溫、有源無線測(cè)溫等三種主要方式，其優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。

表 各種測(cè)溫手段優(yōu)缺點(diǎn)

通過上表可以看出以往測(cè)溫方式存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫工作量大，風(fēng)險(xiǎn)高，需定期維護(hù)等問題。本文針對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜發(fā)熱問題，提出一種基于聲表面波溫度傳感器技術(shù)的無源無線式在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)溫度傳感器采用無線傳輸信號(hào)技術(shù)且無需工作電源、具有溫度采集精度高免維護(hù)的特點(diǎn)，有效解決以往粘貼試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測(cè)溫儀測(cè)溫、有源無線測(cè)溫等測(cè)溫方式存在的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警功能。

1 10kV XGN型開關(guān)柜發(fā)熱缺陷分析與危害

1.1 10kV XGN型開關(guān)柜發(fā)熱分析

10kV XGN型開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。正常運(yùn)行中電流經(jīng)過上側(cè)隔離刀閘、真空斷路器、下側(cè)隔離刀閘。而對(duì)于一個(gè)電氣連接點(diǎn)來說，熱量計(jì)算公式為Q=I2Rt，其中Q為產(chǎn)生的熱量，I為通過截面的電流，R為接觸電阻，t為通流時(shí)間。因此當(dāng)流過10kV XGN型開關(guān)柜的電流固定時(shí)，接觸電阻越大，其產(chǎn)生的熱量越高，溫度就越高。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，10kV XGN型開關(guān)柜發(fā)熱多集中在隔離刀閘動(dòng)、靜觸頭接觸部位，其發(fā)熱機(jī)理分析如下：

1）10kV XGN型開關(guān)柜隔離刀閘結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其靜觸頭采用片式觸指，動(dòng)觸頭和靜觸頭座接觸僅靠彈簧壓緊，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，由于彈簧壓力減弱，影響到觸指的接觸效果，接觸面積減少，從而造成接觸電阻增大，引起發(fā)熱。

2）10kV XGN型開關(guān)柜靜觸頭座和靜觸頭觸指采用窩槽方式連接，靜觸頭座與觸指靠半球接觸面接觸，可靠性不高，半球接觸面易變成點(diǎn)接觸，也會(huì)造成接觸電阻增大。

3）由于10kV XGN型開關(guān)柜隔離刀閘觸指僅用一顆螺絲加彈簧壓緊，在操作時(shí)容易造成位移，經(jīng)多次操作后難以保證隔離刀閘接觸面接觸良好；當(dāng)動(dòng)靜觸頭壓力不夠引起兩側(cè)接觸電阻不相等時(shí)，會(huì)有部分電流從螺栓處分流。由于螺栓的導(dǎo)電性很差，螺栓與靜觸頭座僅通過彈簧連接，接觸電阻較大，因此即使電流很小，螺栓發(fā)熱也會(huì)嚴(yán)重。這一方面加劇了接頭處的發(fā)熱，另一方面螺栓與彈簧在溫度較高時(shí)機(jī)械性能下降，又進(jìn)一步造成靜觸頭夾緊力下降，使發(fā)熱現(xiàn)象更嚴(yán)重[1]。

4）動(dòng)、靜觸頭接觸面長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，經(jīng)多次操作，動(dòng)、靜觸頭的鍍銀層因工藝質(zhì)量不佳導(dǎo)致磨損或脫落，在接觸面上會(huì)形成一層氧化膜，也會(huì)增大接觸電阻，在大電流情況下該處的熱功率很大，造成發(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)一步又加劇接觸面氧化，形成惡性循環(huán)。

1.2 10kV XGN型開關(guān)柜發(fā)熱危害

當(dāng)10kV XGN型開關(guān)柜發(fā)熱溫度超過一定范圍后，將會(huì)使絕緣材料加速老化，絕緣強(qiáng)度降低，設(shè)備使用壽命縮短，同時(shí)還降低金屬導(dǎo)體機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)一步惡化金屬導(dǎo)體接觸部位的狀態(tài)，使其接觸電阻增大，引起10kV XGN型開關(guān)柜溫度進(jìn)一步快速升高。嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)設(shè)備熔斷、絕緣擊穿、短路故障，甚至造成繼電保護(hù)越級(jí)跳閘從而使10kV母線失壓的電力安全事件，引發(fā)電力系統(tǒng)大面積停電，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并造成不良的社會(huì)影響[2]。

110kV金里變電站10kV XGN型717開關(guān)柜內(nèi)部故障圖如圖3所示。其故障原因?yàn)楣駜?nèi)元件接觸不良、長(zhǎng)期發(fā)熱導(dǎo)致7174線路隔離刀閘CT側(cè)A相靜觸頭座的觸指壓緊彈簧螺栓因發(fā)熱熔斷，共4片觸指燒熔掉落，與7174線路隔離刀閘CT側(cè)A相靜觸頭座之間產(chǎn)生單相對(duì)地放電，隨后迅速發(fā)展為三相短路，短路電弧產(chǎn)生的高溫使故障立即蔓延至同一室的717開關(guān)母線隔離刀閘側(cè)，造成717開關(guān)母線隔離刀閘側(cè)三相短路，限時(shí)電流速斷保護(hù)動(dòng)作跳717開關(guān)，#2主變552A后備保護(hù)動(dòng)作跳552A開關(guān)，10kV2M母線失壓，導(dǎo)致大規(guī)模停電，故障損失負(fù)荷18MW。鑒于10kV XGN型開關(guān)柜發(fā)熱產(chǎn)生短路故障后果嚴(yán)重，有必要對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜隔離刀閘動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸部位進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱隱患。

10kV XGN型開關(guān)柜隔離刀閘實(shí)物圖如圖4所示，可以看出一把隔離刀閘的動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸部位有6個(gè)，而10kV XGN型開關(guān)柜配置2把隔離刀閘，因此對(duì)于一面10kV XGN型開關(guān)柜來說動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸部位有12個(gè)，需在線監(jiān)測(cè)溫度點(diǎn)位為12個(gè)。

2 10kV XGN型開關(guān)柜無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了更好地對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜隔離刀閘動(dòng)、靜觸頭接觸部位進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，本文提出的10kV XGN型開關(guān)柜無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)由溫度傳感器、溫度采集收發(fā)器天線、溫度采集收發(fā)器、站端無源無線測(cè)溫管理裝置、無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)主站組成[3]，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖5。

溫度傳感器安裝在隔離刀閘靜觸頭上，在線采集測(cè)量點(diǎn)溫度，溫度傳感器收到溫度采集收發(fā)器射頻信號(hào)后在其表面形成聲表面波，該聲表面波的頻率受到溫度的影響會(huì)發(fā)生變化，溫度傳感器通過其叉指換能器將帶有溫度信息的該聲表面波轉(zhuǎn)化成射頻信號(hào)后反射至溫度采集收發(fā)器，從而完成測(cè)溫點(diǎn)溫度采集。

溫度采集收發(fā)器安裝在10kV XGN型開關(guān)柜的二次室內(nèi)，通過溫度采集收發(fā)器天線發(fā)射無線脈沖信號(hào)給溫度傳感器，并接收反饋回來帶有溫度信息的射頻信號(hào)，然后通過485通訊模塊向站端無源無線測(cè)溫管理裝置傳送10kV XGN型開關(guān)柜12個(gè)點(diǎn)測(cè)溫的溫度數(shù)據(jù)。

站端無源無線測(cè)溫管理裝置安裝在變電站內(nèi)，與溫度采集收發(fā)器通訊，收集全站10kV XGN型開關(guān)柜在線測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)本站設(shè)備運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，具備數(shù)據(jù)查詢功能（實(shí)時(shí)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、歷史測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、超溫告警數(shù)據(jù)）、溫度巡檢功能、報(bào)表生成等功能，通過網(wǎng)絡(luò)將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)上傳至無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)主站。

無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)主站安裝在變電管理部門，收集并管理所有管轄變電站內(nèi)站端無源無線測(cè)溫管理裝置數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)主站具備實(shí)時(shí)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控、實(shí)時(shí)通訊、歷史測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)查詢、發(fā)熱告警、報(bào)表管理、用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置等功能。該系統(tǒng)主站還可根據(jù)設(shè)定的溫度告警定值將發(fā)熱缺陷發(fā)短信到運(yùn)行值班手機(jī)進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)具有很好的開放性及可擴(kuò)展性，能與其他網(wǎng)絡(luò)互通互聯(lián)，并根據(jù)需要可方便擴(kuò)展接入測(cè)溫變電站及測(cè)溫設(shè)備。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 聲表面波技術(shù)

溫度傳感器采用聲表面波技術(shù)將接收到溫度采集收發(fā)器的射頻信號(hào)通過溫度傳感器的壓電材料轉(zhuǎn)化為聲表面波，然后將受到溫度影響的聲表面波轉(zhuǎn)回射頻信號(hào)反射至溫度采集收發(fā)器而獲取溫度數(shù)據(jù)的測(cè)溫過程，只涉及電信號(hào)與機(jī)械波的相互轉(zhuǎn)換，并不需要電池或外部電源供電，這使其與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比有無需電源，維護(hù)方便，能耗小，使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)勢(shì)。同時(shí)溫度采集收發(fā)器與溫度傳感器采用無線方式連接，溫度信息通過溫度采集收發(fā)器天線實(shí)現(xiàn)無線方式傳遞，避免了溫度采集收發(fā)器與高壓設(shè)備直接連接帶來的安全隱患。溫度傳感器由壓電材料構(gòu)成，能承受高電壓、大電流、高溫、高電磁輻射等環(huán)境的影響，具有其他材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)，利用聲表面波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無源無線測(cè)溫。

3.2 精確測(cè)量技術(shù)

為了解決在10kV XGN型開關(guān)柜內(nèi)狹窄區(qū)域信號(hào)傳輸困難，且存在電磁干擾的問題，該系統(tǒng)采用了433MHz射頻信號(hào)通訊，能繞開障礙物，使無線信號(hào)傳輸距離不少于2m，滿足了在10kV XGN型開關(guān)柜有效傳輸距離的要求，并減少了測(cè)量誤差。受溫度傳感器聲表面波器件熱敏感特性影響，傳遞的信號(hào)反映了溫度變化信息，該信號(hào)的諧振頻率隨溫度的改變而改變，且在一定的溫度范圍內(nèi)呈線性的關(guān)系[4]（見圖6），因此利用這種線性關(guān)系就可以通過獲取聲表面波的頻率信息從而得到精確的測(cè)量溫度。

3.3 延遲線技術(shù)

以往國(guó)內(nèi)聲表面波測(cè)溫技術(shù)面臨區(qū)域內(nèi)多傳感器同時(shí)應(yīng)用識(shí)別難，定位難的問題。本系統(tǒng)應(yīng)用延遲線技術(shù)，每個(gè)溫度傳感器有4條反射器，可以形成4位的識(shí)別碼，收發(fā)器每隔12μs。發(fā)射一個(gè)1μs的詢間脈沖，經(jīng)過傳感器反射回一組編碼脈沖。若對(duì)應(yīng)位為1，則對(duì)應(yīng)反射器反射回波，若為0則不反射。這樣由有無回波脈沖就可以判斷出該位為1或者 0。編碼為1的返回脈沖比編碼為0的返回脈沖大 20dBm左右，通過信號(hào)的處理可以得到很低的誤碼率，可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)傳感器。最多能夠識(shí)別16個(gè)不同編碼傳感器，滿足了10kV XGN型開關(guān)柜12個(gè)不同測(cè)量布點(diǎn)需求。

3.4 智能診斷技術(shù)

10kV XGN型開關(guān)柜無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變電設(shè)備的溫度在線數(shù)據(jù)集中采集、統(tǒng)一上傳。同時(shí)在該監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，通過豐富的表格、曲線、柱狀圖、報(bào)表等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)形式，對(duì)隔離開關(guān)動(dòng)、靜觸頭接觸部位的運(yùn)行發(fā)熱數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)同一測(cè)溫點(diǎn)歷史溫度數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ饶軌蛴行Х治觥⒃\斷設(shè)備發(fā)熱趨勢(shì)；對(duì)多個(gè)相關(guān)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)橫向比較，找出異常發(fā)熱設(shè)備，并支持將數(shù)據(jù)導(dǎo)出和保存功能。通過溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的縱橫對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱缺陷，有效保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 應(yīng)用情況

本文提出的無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)已安裝應(yīng)用于中山市110kV文安變電站（簡(jiǎn)稱“文安站”)。文安站有33面10kV XGN型開關(guān)柜共66把隔離刀閘，該站配有無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)主站1臺(tái)，站端無源無線測(cè)溫管理裝置1臺(tái)，每面10kV XGN型配有溫度采集收發(fā)器1個(gè)，共計(jì)33個(gè)溫度采集收發(fā)器，每把隔離刀閘配有溫度傳感器6個(gè)，共計(jì)396個(gè)溫度傳感器。

4.2 應(yīng)用效益

無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜內(nèi)關(guān)鍵部位溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警功能。經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如下：

1）該系統(tǒng)投運(yùn)后，代替了對(duì)10kV開關(guān)柜的人工測(cè)溫工作，按平均每站每月3次、每次3人外加一部車輛、每站測(cè)溫工作時(shí)間為0.5天計(jì)算，節(jié)省了大量的人工成本，并保障了人員的安全。

2）自投運(yùn)以來，該系統(tǒng)累計(jì)發(fā)現(xiàn)三項(xiàng)10kV XGN型開關(guān)柜隔離刀閘發(fā)熱缺陷，并及時(shí)通過預(yù)警短信通知運(yùn)行人員消缺，避免了三起因隔離刀閘發(fā)熱處理不及時(shí)而造成的開關(guān)柜短路爆炸及母線非計(jì)劃停電的設(shè)備事故發(fā)生，對(duì)提高10kV用戶供電可靠性發(fā)揮了重要作用。

10kV XGN型開關(guān)柜無源無線式在線測(cè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)施，不僅簡(jiǎn)化了原有的變電站設(shè)備巡檢流程，同時(shí)還節(jié)省了變電站定期巡檢的人力成本。把變電站的設(shè)備管理提升到遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理的水平，使設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)更加及時(shí)、準(zhǔn)確。可以有效促進(jìn)變電站一次開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀況的科學(xué)管理、科學(xué)規(guī)劃，為設(shè)備檢修提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)由計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，降低了設(shè)備事故風(fēng)險(xiǎn)，減少了停電次數(shù)，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語

針對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜以往測(cè)溫存在問題，本文采用無源無線式在線測(cè)溫系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)手段不能直觀、實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)熱狀況的問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警設(shè)備發(fā)熱隱患的目標(biāo)，且溫度傳感器終身免維護(hù)，無需停電維護(hù)。通過對(duì)10kV XGN型開關(guān)柜關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)、診斷，可有效預(yù)防10kV XGN型開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱導(dǎo)致的設(shè)備事故發(fā)生，能有效降低一次設(shè)備故障率，極大提高運(yùn)行人員工作效率，提升變電運(yùn)行部門設(shè)備管理水平，提高10kV用戶供電可靠性，保障人身設(shè)備安全。