淺談10kV高壓開關柜電氣設備在線測溫系統的應用
發布時間：2023-07-21瀏覽次數：876返回列表
易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文結合電網系統中封閉式 10kV 高壓開關柜的工程應用需求，提出新型無源無線溫度傳感方法和開關柜無線測溫智能監控系統的監測技術，末尾結合變電站的掛網測試算例說明監控系統的安裝工藝和應用效果。該系統的應用可有效提高電網運行部門的設備巡檢自動化水平，加強電網設備的安全管控，同時具有廣泛的工程應用前景。
關鍵詞:無線測溫；在線監測；開關柜；傳感器技術
一、引言
如今，對變電站設備關鍵部位的溫度監測無法實現全自動化監控，部分溫度監測裝置十分落后，部分溫度監測裝置是定制完成的，用途相對狹窄。另外，當前并沒有對測溫裝置制定統一的規范，通用性不強，要實現電器元件的替換難度較高。因此，為了實現溫度在線監測，就需要結合公司現有的電站設備，對變電站關鍵部位溫度監測需求進行分析，研制出滿足變電站全自動化溫度監測的系統。
二、封閉高壓開關柜在線測溫技術分析
變電站設備溫度監測是指通過監測設備對變電站關鍵部件的溫度進行實時監測，以了解設備的溫度變化情況，并做好實時預警工作，以減少高壓開關柜運行事故的發生。因此，實時在線測溫具有以下兩種功能：一是實時監測溫度，了解設備運行狀態，并做好應急處理，減少事故發生；二是實現無人化的 24 小時實時監控，減少人力消耗，降低運行成本。高壓開關柜在測溫技術上具有一定的性，運行安全可靠。裝置需要在開關柜內長期穩定運行，對于系統和裝置都需要達到兼容性和經濟性的要求，方便系統后期的拓展。以上幾方面的要求需要對測溫環境進行分析，對測溫方法及時進行對比分析，找到適合現場環境的測溫方法。
表 1 各種不同測溫方式比較表
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比較項目 |
各種不同測溫方式比較 |
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測溫 |
紅外 |
光纖光柵 |
有源無線測 |
無源無線 |
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采集方式 |
貼片化 |
紅外非 |
機械傳 |
電子傳 |
非接觸聲 |
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高壓側取 |
-- |
-- |
-- |
困難 |
-- |
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觀測局 |
只可 |
只可 |
受空間 |
無局限 |
無局限 |
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溫度讀取 |
目測 |
紅外 |
光纖 |
無線 |
無線 |
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在線監測 |
否 |
否 |
是 |
是 |
是 |
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智能報警 |
無 |
無 |
有 |
有 |
有,兩級 |
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安裝難度 |
易 |
-- |
難 |
易 |
易 |
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維護難易 |
難 |
-- |
較難 |
中等 |
簡易 |
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安全程度 |
高 |
高 |
低 |
中等,存在 |
高 |
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測溫精度 |
低 |
中 |
高 |
高 |
高 |
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可靠性 |
低 |
中 |
中 |
中 |
高 |
表1可以看出，采用無源無線測溫技術，使 10kV 配網設備接點溫度能夠得到實時在線的監測。采用無線傳感器能夠實現高低壓電子元器件的物理絕緣，有效避免電子元器件之間的光波產生。另外，無線傳感器的安裝十分便捷，無需通信電線，后期維護簡單。無源無線測溫方式彌補了其他傳感方式的缺陷，是電力系統溫度傳感技術上一個新的突破，具有很強的技術創新性。
所以，本系統擬定采用無源無線的聲表面波溫度傳感器，減少線路改裝，提升安裝和維護效率。
三、10kV 開關柜無源無線測溫系統框架分析
本系統擬定采用多變電站解決應用，高壓設備無源無線溫度實時監測和預警系統主要由采集設備和軟件系統組成，系統采用樹狀網絡架構。各級變電站的高壓室為層，在高壓室中的每個封閉式開關柜內安裝無源無線溫度傳感采集設備，主要包含 6 個無源無線溫度傳感器（感溫裝置）和 1個無線測溫終端機（終端設備）。其中 6 個傳感器分別安裝在易發熱的接觸點位置，如出線接頭、梅花觸頭、進線接頭等，終端機安裝在開關柜內的低壓室內。變電站為第二層，在每個變電站設置 1 個無線測溫前置機，收集來自各采集終端機設備的數據，并將數據打包通過 IP 網絡發送至巡檢中心。巡檢中心為第三層，每個巡檢中心需配置 1 臺監控服務器，用來顯示并處理各變電站內高壓設備的溫度數據。如有需要，各巡檢中心還可將溫度信號發送至電力公司的主站服務器。系統的主站服務為第四層，可以為后臺服務人員提供準確的溫度信息，方便及時作出安排處理。
鎧裝開關柜電氣設備無源無線測溫系統主要實現溫度的實時監測，能夠實現預警和報警雙重設置，防范于未然，操作簡單合理，數據顯示豐富全面，其以下功能主要通過第三
和第四層來實現：
（1）可以全天候監測高壓開關柜的溫度變化，及時作出缺陷判斷。
（2）可以保存電氣設備的歷史溫度值，方便后期對比和判斷。
（3）可以進行溫度數據的統計分析并繪制圖表，方便查看。
（4）可以對溫度值進行高溫預警，防范監測。
四、無源無線溫度監測的應用
1 、總體工程應用思路
本文設計的無線溫度監測系統將直接采用溫度傳感器去采集關鍵設備上的溫度，并通過無線網絡傳遞給系統的核心部件。將這些核心部件的溫度收集完成后，系統設定算法對溫度數據進行統計分析，并按照各個零部件預設的溫度設置實時報警等功能。系統將分析得出的相關結論傳遞給設備運維部門，設備運維部門將根據系統傳遞的結果進行綜合分析，并且制定設備運維管理措施，減少設備故障次數和時間，提高配電運行效率。。
2 、前期工程安裝
變電站總共有 8 個開關柜，本次設計的無線溫度監測系統包括兩部分，一部分為傳感器，每個開關柜設有 12 個溫控監測點，合計 96 個溫度傳感器。另一部分為數據組網，溫度監測裝置 16 臺、監測主機 2 臺。將前期施工流程劃分為 7 個步驟，如表 2 所示，從施工前的碰頭會開始，到前期準備工作、安裝、調試、測試、到竣工驗收，都有較為明確的施工標準，以確保無源無線溫度檢測系統安裝完成。
表 2 施工流程
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步驟 |
內容 |
備注 |
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步 |
組織施工人員，分配施工人員的工作，技術交底，明確具體的工作職責 |
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第二步 |
查看現場，了解柜體情況，明確打孔位置及距離，柜門及走線 |
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第三步 |
確定溫度傳感器的安裝位置。每相 4 個，斷路器兩側各 1 個，線路側刀閘及出線電纜頭各 1 個 |
0kV 相間氣距離125mm |
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第四步 |
安裝傳感器。首先，用航空膠將傳感器殼體固定在母排上。然后，2 小時后用扎帶或者絕緣帶固定，防止脫落 |
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第五步 |
安裝完畢，測試傳感器的溫度是否與實 時溫度一致 |
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第六步 |
布主纜，將監測主機電源線纜，信號線纜串聯并到主纜 |
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第七步 |
測試分析儀軟件配置參數，編寫組態軟件，系統整體調試，試運行，組織驗收 |
五、效益分析
（1）無源無線測溫系統的投入使用，可以對開關柜的溫度進行 7*24h 不間斷的實時監測，及時發送準確的監測數據，防止因為電氣設備溫度過高而造成電網故障。另外，該系統提供實時報警功能，可以實現防范于未然，避免不可預估的損失產生。
（2）無源無線測溫系統的使用將之前的“被動檢修”改變成為“主動檢修”。可以為狀態檢修提供事前的數據準備，不斷提高電網的安全運行水平和供電可靠性。當前供電公司已經對部分變電站的開關柜進行溫度在線監測，實現對“狀態檢修”提供科學的數據支撐和依據。通過該系統的投入使用也可以提高巡檢效率，減少運維人員工作量，提升供電運行效率。
（3）本系統投入運行后，就可以不用安排檢修人員進行定期現場維護，并且能夠實時了解設備運行溫度，發現溫度變化即刻預警，可以減少設備運行故障發生次數和時間，提高供電質量，為電力企業創造多的經濟效益，也能夠保證用電企業的正常運轉。假設本系統投入使用后，每年減少 1 次停電檢修，檢修時間為 8h，出線間隔平均 300A 負荷電流（約 5MW），則本項目 8 個間隔，每年可以多供電8*5MW*8h=320MWh，以每 kWh 電量價值 0.6 元計算，則可為企業多創造效益約 19.2 萬元，剛才計算的僅僅是本系統帶來的經濟效益。在實際生活生產過程中，本系統還能夠減少停電次數，提高供電質量，為供電企業贏得較好的口碑和效益。
六、安科瑞溫度在線監測系統解決方案
1、概述
電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸 電阻過大而發熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續、準確反映設備運行狀態，降低設備事故率。
Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS 485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通訊，系統設計遵循標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。
2、應用場所
適合在泛在電力物聯網、鋼廠、化工、水泥、數據中心、醫院、、電廠、煤礦等廠礦企業、變配電所等電力設備的溫度監測。
3、系統結構
溫度在線監測系統結構圖
4、系統功能
測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開關設備運行溫度狀態。系統具有以下主要功能：
- 溫度顯示：顯示配電系統內每個測溫點的實時值，也可實現電腦WEB/APP遠程查看數據。
- 溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。
- 運行報表：查詢及打印各測溫點時間的溫度數據。
- 實時告警：系統能夠對各測溫點異常溫度發出告警。系統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。
- 歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析等。
5、系統硬件配置
溫度在線監測系統主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關以及站控層的測溫系統主機組成，實現變配電系統關鍵電氣部位的溫度在線監測。
七、結語
本文結合公司目前的電氣設備狀況，并且從開關柜測溫的傳感器技術、供能技術、通信技術等幾個角度進行分析，確定采用無源無線在線監測系統。本文主要從研究開關柜的內部結構進行分析，對測溫方式進行對比分析，制定符合高壓開關柜的測溫方式并進行現場安裝測試，實施效果良好。本文就目前的推廣度進行了分析，認為通過系統的安全運行可以帶來一定的經濟效益和社會效益。
參考文獻：
［1］ 馮亦佳,張治忠．10kV高壓開關柜電氣設備在線測溫系統應用研究[J]．現代信息科技,2019,003(015):179-180182
［2］ 徐穎敏. 智能化變電站10kV高壓開關柜在線測溫技術研究[J]. 機電信息, 2013(9):2.
［3］ 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022年05版
