高壓開關柜溫度在線實時監測系統研究

Summary：高壓開關柜觸頭位置容易出現高溫，繼而給開關柜正常運行帶來不利影響，而傳統的人工監測方式難以及時發現開關柜內高溫點。因此，為了掌握高壓開關柜內高溫點位置，對高壓開關柜溫度在線實時監測系統進行分析與研究，詳細闡述溫度測系統、無線溫度采集終端及數據集中器構成，并確定了具體的溫度傳感器安裝方式。在變電站內高壓變電所現場應用后，高壓開關柜溫度在線實時監測系統可實現對開關柜內各觸頭溫度24h不間斷監測，監測精度高、成本低，監測結果可為后續開關柜維修、保養提供一定指導。Keys：高壓開關柜；溫度；線實時監測；系統研究前言：隨著我國經濟高速發展和社會快速進步，電力作為國民經濟發展中主要動力來源，在整個社會生產和人民生活中的地位越來越高。電力的持續性和安全性直接關系到社會的穩定，因此用戶對電力系統的可靠性提出了更高的要求。《中國科學技術指南》中提出的電力能源領域發展的戰略目標為“提高供電可靠性、質量和經濟性，建立設備和電網故障診斷和監測系統，改進輸電在線監測技術、城市供電技術”。電力改革創新是近年來電力行業發展的趨勢，對電力設備運行狀態實時監測是電力改革創新的主要方向，也是及早發現電力設備故障、排除危及安全生產的事故隱患的主要手段。高壓開關柜是電力系統中重要的電氣設備，在電力傳輸、配電及電能轉換過程中執行用電支路的投入、切斷控制和故障保護。高壓開關柜主要由高壓斷路器、高壓負荷開關、高壓隔離開關及操作機構等組成，各個組成部分協同配合實現高壓開關柜的控制與保護的功能。按安裝方式及柜體結構，高壓開關柜主要分為移動式高壓開關柜、固定式高壓開關柜（金屬封閉箱式高壓開關柜）、金屬封閉鎧裝高壓開關柜、敞開式高壓開關柜等。高壓開關柜為柜體式結構，內部熱量不易向外散發，在負荷較高或溫度較高的場合，柜體內部的溫度容易超出安全值，嚴重影響高壓開關柜的使用壽命，甚至引發火災等嚴重事故。因此，開展高壓開關柜溫度在線監測技術研究，在溫度過高時發出警報提示工作人員進行處理，對于提高高壓開關柜安全性，保證供電系統的可靠性具有十分重要的意義。1高壓開關柜測溫技術高壓開關柜內部處于高電壓、強磁場和強輻射的復雜運行工況致使傳統檢修方式（事故后維修和定期檢修）限制了測溫技術的發展。國內外關于高壓開關柜測溫方式缺乏統一的標準，市場上也沒有壟斷性的產品，各個廠家根據自身實踐經驗和研發能力開發不同類型的測溫產品。目前，市場上主要的測溫手段有示溫臘片變色法、光纖技術測溫法、紅外手持設備測溫法等，以下對上述方法進行詳細介紹。示溫臘片變色法測試溫度是根據示溫臘片在不同溫度環境下顯示不同顏色的物理過程。測試時把示溫臘片粘貼在高壓開關柜需要測試的部位，通過人工觀察示溫臘片顏色的變化來確定測試點溫度范圍。當溫度超過示溫臘片的測試范圍時，示溫臘片會自然脫落。示溫臘片變色法測試溫度需要工作人員定期查看，在測試過程中人員工作量大、成本高、穩定性低、實時性較差。示溫臘片變色法測試溫度方法在早期的高壓開關及其它類型電氣設備溫度測試過程中具有一定的應用空間，但隨著測溫技術和電力電子技術的高速發展，示溫臘片已經慢慢退出溫度測試領域，目前只有在極少的領域應用。光纖測溫法是利用光在光纖中的喇曼效應改變光波波長的特性，喇曼效應信號的強弱與溫度有直接關系。當寬帶光進入光纖，經過光柵返回一定波長的光，該波長與被測溫度有一定變換關系，經測量反射光波長可確定被測物體溫度。光纖測溫一般依托光纖傳感器，傳感器輸出與溫度成比例的信號，采用埋入/表面安裝方式。光纖測溫法的測試精度和實時性較好，具有一定的市場空間，但該方式測溫成本較高、維護困難，不利于大范圍推廣應用。紅外手持設備測溫法利用被測物體溫度高于絕對零度時向外界散射紅外能量的原理。散射的紅外能量與物體表面溫度相關，通過測試散射的能量并計算就能得到物體表面的溫度。紅外手持設備測溫法為非接觸式測溫方式，測試精度較高，但巡檢間隔時間較長，不利于及時和實時發現被測物體溫度的變化情況。高壓開關柜為柜體式結構，元器件較多，內部結構復雜，由于元器件的遮擋導致使用紅外測溫時關鍵點測試結果不準確。上述測溫方法在高壓開關柜溫度測試和監測過程中起到一定的作用，但這些設備功能單一、可靠性較差，無法滿足目前智能化電網和智能化電器設備的發展需求。基于ZigBee網絡無線測溫技術是利用ZigBee網絡實現傳感器數據的無線傳輸。ZigBee是一種近距離無線組網技術，其特點為成本低、功耗低、傳輸速率低，測溫時測溫節點直接粘貼在被測部位，且溫度數據以無線的形式發送出去，徹底解決了高壓絕緣的問題，廣泛應用到工業自動化控制、無線溫度監控、智能家居和遠程監測控制等領域。2溫度采集系統設計高壓開關柜溫度在線監測系統利用ZigBee網絡作為數據傳輸的載體，實現對高壓開關柜內溫度實時監測、傳輸和存儲。高壓開關柜溫度在線監測系統主要由傳感器組、ZigBee網絡、存儲器、電源模塊、PIC單片機、復位單元、時鐘單元、通訊單元、中央監控室等組成。其中PIC單片機對采集ZigBee網絡反饋的溫度數據進行運算處理，同時通過通訊單元將溫度數據發送到中央監控室的工業計算機；ZigBee網絡實現傳感器組信號和PIC單片機之間的數據傳輸；多個高精度溫度傳感器組成的傳感器組用于測試高壓開關柜溫度數據；存儲器用于存儲高壓開關柜的溫度實時數據。高壓開關柜溫度在線監測系統結構簡圖如圖1所示。圖1高壓開關柜溫度在線監測系統結構簡圖高壓開關柜溫度在線監測系統中溫度傳感器采用TI公司出品的兩總線、超低功耗數字溫度傳感器TMP102。TMP102測溫范圍-40～125℃，供電電壓為1.4～3.6V，具有12位的分辨率，測量時數據讀取的精度為0.0625℃，靜態電流最大為10μA，關機模式下電流為1μA。TMP102內部集成SMBus總線和12C總線，利用12C總線與CC2530通信，通信原理圖如圖2所示。圖2TMP102與CC2530通訊電路圖ZigBee網絡具有網型、樹型和星型三種不同的結構類型。在三種結構中網絡型結構最復雜，樹形結構居中，星型結構比較簡單。網絡型ZigBee網絡由一個協調器帶多個路由器和終端節點，協調器可以與網絡中任意路由節點進行數據通訊。樹型ZigBee網絡中單個協調器節點可以帶若干個路由器節點和若干個終端節點。星型結構ZigBee網絡由一個協調器節點帶若干個終端節點。3總結高壓開關柜實時在線監測系統采用ＺｉｇＢｅｅ網絡傳輸傳感器獲取到的溫度信息，從而實現溫度采集端與溫度顯示端間的高壓（低壓）隔離傳輸，溫度監測系統內各個設備間無電氣連續，從根本上解決高壓絕緣問題，提升了溫度監測系統運行安全性及可靠性。在對比分析動觸頭、靜觸頭安裝方式優缺點基礎上，根據變電站供電系統高壓開關柜工作要求，實際過程選用動觸頭安裝方式，從而減小溫度傳感器維修給高壓開關柜運行帶來的影響。現場應用后，溫度在線實時監測系統可對高壓開關柜內各觸頭位置溫度實時在線監測，監測精度高、運行成本低，監測結果可為后續高壓開關柜運行狀態判定以及維修提供一定參考。Reference：[1]郭拳.高壓開關柜設備狀態的智能監測及診