无源无线式在线测温传感器技术的应用与选型

时间：2021-04-16作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：229

周晓丽

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
 
摘要:针对变电站10 kV开关柜断路器、隔离开关触头接触部位及其他导电排连接部位在长期运行过程中因表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动导致接触电阻变大而引起发热故障的问题，提出并研发了基于声表面波技术的适用于变电站10kV开关柜关键点测温的无源无线式在线测温系统。该系统通过现有变电站综合数据网实现测温信息的统一采集与传输，具有远程智能分析和诊断、实时和历史数据报表统计、Web浏览发布和短信告警等功能，并已成功应用于中山供电局110kV泰丰变电站、文安变电站、裕丰变电站，有效监测了10kV开关柜设备实时发热情况，实现了各变电站测温数据的集中管理，为10 kV开关柜设备状态检修、及时消缺提供了可靠的数据支持。
关键词:10 kV开关柜;发热;声表面波;无源无线;温度监测;在线测温
 
0引言
        变电站10 kV开关柜隔离开关触头接触部位、开关触头接触部位、导电排连接部位、电缆头连接部位在长期运行过程中，由于表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动等原因，容易导致接触电阻变大而引起接触部位发热、电蚀，严重者可烧熔连接部件并引发短路故障，造成大面积停电，降低了系统供电可靠性并造成重大经济损失。防止10 kV开关柜发热故障是变电运行部门需长期面对的重要课题。文献［1］明文规定:预防开关设备载流回路过热;定期用测温设备检查开关设备的接头部、隔离开关的导电部分(部位:触头、出线座等)，特别是在重负荷或高温期间，加强对运行设备温升的监视，发现问题应及时采取措施。
        目前，变电站10 kV开关柜设备温度监测手段大多采用试温蜡监视、手持红外测温、有源传感器无线测温等三种主要方式，但上述方式存在不能实时监测、测量误差大、探头易失效等问题。为此有必要研发传感器无源无线式测温技术，克服以往测温方式所存在的缺陷，实现对开关柜关键部位进行温度实时在线监测、诊断、预警等功能，并实现准确测温、传感器可长期工作且工作寿命周期内免维护、接收装置更换*停电等要求。
        本文提出并研发了无源无线式在线测温系统，从而实现对10 kV开关柜内发热情况进行无源无线式温度在线监测，提高了设备运行的可靠性，并实现以下技术目标:
        a)利用声表面波器件的热敏感物理特性、逆压电效应和压电效应，研发无源无线传感设备，通过电磁兼容设计和编码设计，使其应用于10 kV开关柜温度在线监测。
        b)利用现有变电站综合数据网，采用统一的通信标准，确保数据安全，通信可靠。
        c)建立智能监测平台，将供电局下属多个变电站温度监测系统集成于同一平台，实现测温数据集中管理。
 
1 现有发热监测手段存在的缺陷
        试温蜡监视、手持红外测温方式存在缺陷:测点多，巡视工作强度大，效率低;不能及时发现发热缺陷;开关柜内部分区域无法进行人工巡视;
        无法积累历史数据，从而分析温升变化;无法向运行人员提供发热告警信息;无法为设备维护、检修提供数据支持。
        有源传感器无线测温方式存在缺陷:传感器电池失效会导致该测温点无法测温;需定期停电更换传感器电池，增加了运行部门操作、维护工作量。
 
2 无源无线式在线测温系统总体结构及功能设计
2.1 总体结构设计
        无源无线式在线测温系统由无源无线式在线测温系统主站、变电站无源无线测温管理装置、温度传感器组成。系统整体结构设计如图1所示。
 
 
图 1 无源无线式在线测温系统总体结构
        温度采集收发器通过天线发射传感射频信号，无源无线温度传感器被动返回温度对应频率信号;温度采集收发器接收到反馈信号后经过数据处理和数据打包，转送至变电站无源无线测温管理装置，利用TCP/IP网络数据转换器，完成站内开关柜温度监测设备通信规约转换，通过变电站综合数据网将数据上传至无源无线式在线测温系统主站，供班组对设备运行温度进行监测和分析，以保证设备的稳定运行。
        变电站端无源无线测温管理装置对本站设备运行温度数据进行管理，具备查询实时运行数据、历史运行数据、告警数据、报表生成、短信告警等功能。
        无源无线式在线测温系统主站对接入各变电站的设备温度数据进行管理，由班组进行建设和维护，相关人员可通过Web浏览方式查询实时运行数据、历史运行数据、告警数据、报表信息等，并通过Web页面完成对系统的台账管理、通道管理、用户管理等系统管理功能。系统具有很好的开放性、可扩展性、可移植性、易维护性、可靠性和安全性。
2.2 功能设计
        无源无线式在线测温系统主要用于实现集中监测供电局各变电站10 kV开关柜等运行设备的实时和历史发热信息，并实现一致的通信规约。系统功能主要有:
        a)实时监控。通过图形、数字和曲线方式，监控厂站实时告警概况、设备实时告警、设备实时温度数据，提供对告警的确认和处理等功能。
        b)数据查询。通过多种图表、曲线等形式查询和分析当前及历史数据。
        c)趋势曲线。提供在线浏览趋势曲线，可按时间段查询。
        d)日志服务。对用户维护的系统应用设备，用户登录的操作进行日志登记，并提供对日志的分类和分时段查询。
        e)分析诊断。可以进行任意测温点分组，同时刻多点数据对比查询、阈值分析，智能诊断功能。
        f)报表管理。能够输出报表，可根据客户输入需求自动形成报表，并具有对比和导出功能。
        g)用户管理。对用户操作权限分级管理，提供信息的同时，保护核心数据，降低维护成本。
        h)系统设置。方便添加、删除相关厂站，并对应用厂站使用的通讯接口，厂站信息类型、数据采集周期等其他系统参数进行配置。
        i)参数管理。对系统应用的基础信息进行维护管理，提供整定预告警阈值、设置下属设备类型及数量等参数管理功能。
 
3 无源无线式在线测温系统关键技术
3.1 无源无线式温度传感器
        所研发的无源无线式温度传感器采用了声表面波温度传感技术，该技术采用声表面波谐振腔结构，当压电晶体基片上的换能器将输入的无线电磁波信号转变成声信号后，被左右两个周期性栅条反射形成谐振，谐振频率随温度的改变而改变，且在一定温度范围内呈线性的关系，当换能器将声信号转变成无线应答信号输出后，就可以通过测量频率变化得到温度值。采用声表面波温度传感技术的传感器线性度较好，测温范围(－20～150℃)，精度误差(±3℃)，满足10 kV开关柜内隔离开关触头、断路器触头、导电排连接等部位的温度监测需求。
3.2 建立一次设备运行温度数据监测系统平台
        无源无线式在线测温系统平台采用客户端–服务器端(Client/Server)结构以及浏览器端–服务器端(Browser/Server)结构相结合的多层次架构，系统具有较好的易维护性、较高的安全性和可扩展性。在该平台上，不仅很大程度上扩展系统监测点容量，而且通过丰富的图表、曲线等形式，对10 kV开关柜运行发热状态信息进行实时监测。系统平台自带多种分析辅助工具，即能够对同一测温点历史温度数据追溯，有效分析设备运行发热趋势，也能够对多个相关测温点数据比较，以便迅速找出运行发热异常的设备。
3.3 安全的Web浏览发布功能及短信告警功能
        无源无线式在线测温系统采用PowerDynamo+HTMLDataWindow的B/S三层结构解决方案，以实现授权用户通过Web浏览器进行动态浏览、查询和打印存储在服务器平台数据库中的数据。客户端*安装任何软件，降低用户客户端的配置成本，便于使用和维护。无源无线式在线测温系统通过变电站综合数据网，实现了无源无线式在线温度数据的集中采集、统一上传，提供了有效的安全机制，并且可通过短信服务(short messaging service，SMS)将无源无线式在线测温系统内的实时告警信息及时转发至班组的值班手机上，使之及时获知设备发热告警的信息，以便及时采取控制措施，进而消除隐患。
 
4系统点
4.1 应用声表面波传感器实现了无源温度准确测量和远距离无线采集
        无源无线式在线测温系统优化了电磁兼容设计以抑制干扰，研发了**射频模块使无线信号传输距离不少于2 m。当经天线发射出的激励信号被传感器的谐振器接收后，经逆压电效应转换为同频声信号，该信号受声表面波器件热敏感特性影响，传递过程中信号特征被改变，反射回的电磁波信号反映了温度变化信息，通过信号对比处理，使系统实现在高压环境内对关键部位进行温度准确测量和远距离无线采集。
4.2 解决了10 kV开关柜同区域内多传感器同时应用的编码难题
        10 kV开关柜内关键测温点主要包括断路器触头、隔离开关触头及其它导电排连接部位，传感器编码数量一般在12个左右，而国内外现有相关产品均在6个以内，面临开关柜区域内多传感器同时应用识别难题，无法满足区域内多测温点监测数量要求。
        无源无线式在线测温系统以声表面波谐振型测温技术为主，同时融合延迟线技术，选用低损耗的LiNbO3晶体，制成单端口谐振型声表面波温度传感器，通过对声表面波(surface acoustic wave，SAW)器件上反射栅不同的位置排列获得不同的返回脉冲时序组合，以此识别多个温度传感器。另参考国内外对SAW传感系统的研究成果，采用新型24位A/D转换器件，高速数字信号处理器制成无源无线温度采集收发器，通过正交相位检测法对反馈信号进行测量，提高了对多个传感器的温度信息识别能力，率先实现了10 kV开关柜区域内12个不同编码传感器的同时可靠应用，满足了10 kV开关柜内设备温度测量布点数量需求。
4.3 降低了开关柜内结构对无线信号屏蔽影响
        考虑到10 kV开关柜种类繁多，内部结构差异性大，一般分为多个腔室，对信号的传输有一定屏蔽影响，因此设计温度采集收发器共有4条天线路径，12个无源无线温度传感器可任意选择其中一条路径通道工作。温度采集收发器通过柜体内布线方式将天线分布到每个腔体，达到信号激励、采集较好状态。设备能管理4×N(N=3、6、9、12)个传感器，充分满足10 kV开关柜测温应用。
 
5应用案例
        无源无线式在线测温系统已经成功应用于中山供电局110 kV泰丰变电站、文安变电站、裕丰变电站，对变电站内大电流柜和电容柜的隔离开关触头等部位加装了无源无线式测温装置，实现了对上述10 kV开关柜隔离开关触头接触部位发热情况的实时在线监测、诊断、预警功能。该系统自2012年12月投运一年多以来，运行情况稳定，各项功能应用正常，测温数据与预防性试验结果吻合，解决了10 kV开关柜内关键部位发热信息获取的复杂性和安全性的难题，对提高电网10 kV用户供电可靠性发挥了重要作用。
 
6 安科瑞无线测温系统介绍与选型
        安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款的无线测温软件。
6.1 Acrel-2000T无线测温系统结构
        Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图2），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。
        Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现报警响应，预防严重故障发生。
        Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。
图2 Acrel-2000T无线测温系统结构图
6.2 Acrel-2000T无线测温系统功能
■实时监测
        Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息
■温度查询
        温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）
■运行报表
        查询各回路设备运行温度报表.
■实时报警
        壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。
■设备提供以下凡种告警方式：
        a.弹岀事件报惊窗口.
        b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.
        C.短信吿警，可以向指定手机号码发送吿警信息短信（需选配短信猫）.
■历史告警査询
        Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
■用户权限管理
        Acrel-2000T无线测温监控系统为**系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全**。
■定值设置
        用于修改高温定值、温定值。
■WEB（可选）
        展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。
        实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。
        接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。
        能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。
        运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。
■手机APP（可选）
        设备数据员面显示各设备的电参量数据、温度数据以及曲线。
6.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型
        安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图3）。
 
图3 电气接点在线测温结构图
6.3.1 安科瑞无线温度传感器
        无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。
 
6.3.2 安科瑞无线收发器
        无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。
 
6.3.3 安科瑞显示终端
        显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。
 
7 结束语
        无源无线式在线测温系统有效地解决了开关柜采用试温蜡监视、手持红外测温、有源传感器无线测温等方式的缺陷，提升了变电运行部门设备发热运维管理水平，可有效杜绝设备接触部位因发热而引发的设备事故，同时还将运行人员从繁重、低效的开关柜测温巡视工作中解放出来，大大地提高了工作效率。该技术除了可以应用在开关柜测温外，还可以推广到变电站主变、电容、电抗、断路器、隔离开关等其它一次设备测温，应用范围广泛，具有实用推广，对变电站测温技术的发展有着积推动作用。
 
【参考文献】
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[3] 李新海,曾新雄,刘建辉,林蔚,刘成.无源无线式在线测温技术的应用.
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