无线测温在高压柜中的设计与应用

安科瑞虞佳豪

高压开关柜作为电力系统的主要电器设备，起接收和分配电能的作用，其质量可靠性直接关系到主变乃至变电站的安全稳定运行。运行经验表明，12 ～ 40.5 kV 开关柜内部发热甚至过热现象普遍存在，特别是主进柜或在季节性用电高峰阶段。开关柜过热故障轻则影响设备运行可靠性，重则引发开关柜烧毁，甚至造成母线失压故障，严重影响电力系统稳定性及供电可靠性。根据国网河南省电力公司近年来统计数据，开关柜一般性缺陷故障 ( 设备未严重损坏但影响继续使用的缺陷或故障 ) 中，过热故障占比 8.9% ；严重故障 ( 设备严重损坏或基本报废的故障 ) 中，过热故障占比达 17.9%。因此，开展高压开关柜的温度监测技术，进行过热故障预报与诊断，对于提升开关柜运行可靠性和配电网供电稳定性具有重要意义。在开关柜触头温升监测与故障诊断方面的研究与应用现状，开关柜触头温升监测相关技术存在的问题和面临的挑战，并对未来开关柜温度监测技术的发展趋势进行了展望。

早期高压开关柜常用的温度监测方式主要是人工红外热成像、粘贴示温蜡片等，而上述方法存在不能及时、准确反映开关柜内部温度，也不能跟踪温度异常，且存在人工巡检成本高等问题。随着我国电网的发展和输配电设备要求的提高，对开关柜运行可靠性提出了更高的要求。现有的开关柜发热温升故障的监测技术主要包括感知测温技术、红外测温技术、光纤测温技术 ( 包括感光型和传光型光纤测温技术两类 ) 和声表面波测温技术等主流温度监测方法。

由于社会经济的不断发展，电力系统向着高电压、高容量的方向前进着，电力系统全新的技术与设备层出不穷，电力的输送能力不断提升。随之而来的高压电气设备承载的高压电力负荷也让其自身的温升问题成为了威胁电网稳定的元凶，设备温度已经成为了当下电网输电设备稳定运行的重要参数。我国电力系统中的高压电气设备有着多种多样的连接点，比如隔离的开关接头、母线节点等。很多的设备由于制造或者安全过程中的质量问题会出现接触不良的问题，在使用过程中产生较大的电阻，从而出现温升问题。

1高压电气设备温升问题的原因

    测温系统的应用离不开对温升问题产生原因的剖析。一，高压电气设备自身的质量问题和安装问题，特别是在设备螺栓的连接处，连接点是否符合标准，其紧固度是否达标都影响着电阻的强弱。很多设备连接处在安装时都会出现不平整和粗糙的问题，打磨上的不到位也会导致电阻的加大，接触不良，进而影响设备的使用使得温升问题明显。二，高压电气设备运输的过程中不注意保护，造成磕碰，导致连接点或者关键部位变形，进而造成接触不良。三，高压电气设备自身的金属表面易发生锈蚀或者氧化反应，设备表面的问题也会影响设备的接触，部分电气设备的工作环境不佳，高温、雨雪、大风的环境因素更会加速设备自身的老化，造成温升问题严重。四，外力因素影响设备连接处接触不良。很多的设备运行现场情况比较复杂，设备安装、使用、维护等各个环节也容易出现纰漏，导致很多电缆接头、隔离开关部位接触不良，温升问题严重。五，设备长期处于高荷载的压力下，高压电气设备自身承载了高压电的输送和应用，一旦电流过大超过设备的承载能力，加之电流自身的热效应作用，会让设备温度急速上升。

   在实际设备运行中，断路器、隔离开关、电缆接头、套管和母线等装置的接头处，都会出现上述五个问题。这些区域的故障问题较多且是温升问题的易发区域，在日常的巡检和维护中，工作人员应着重对其进行检查和维护。在进行设备巡视时，对装置进行温度测量，既能掌握装置在使用过程中的状况，又能及时地检测出因接触不良或负载过大而产生的热量过高。在带电状态下，因电流和热量的影响，其内部的温度高于外界属于正常的情况，但因设备本身的故障或者过大的负载而产生的热量变化需要进行密切的监测，这种温升问题会加剧设备的老化，从而降低设备的寿命，甚至可能造成设备烧毁，因此对高压电气设备应用测温系统很需要。

   在国内，采用较多的高压电力设备测温法是示温蜡片法、红外测温法、光纤测温法和无线测温系统。采用示温法和红外测温器都是手工操作，不能实时采集到的数据，而通过光纤测量，可以获得实时的测量结果，但是在高、低电压的情况下，不能完全隔绝环境因素，不能满足高压仪器的电气仪表规范要求，而且在柜内安装时，由于光纤不耐高温以及布线困难等问题让其安装也存在着很大的阻碍。目前已有的无线测温技术，主要是依靠当下无线传输模式，克服一次、二次环路的连接与附着问题，从而提升了高压电力使用的安全性。

2无线测温系统结构与设备应用分析

   无线测温系统的组成可以分为温度传感器部分以及温度监测结果显示与分析部分，也可以分为系统的硬件与软件。如图1所示的高压电力设备无线测温系统的结构，通常情况下，在开关柜、电缆接头、保险丝等的交界处安装有温度传感器，为了确保测量的准确性，传感器通常与受检处在相同的电压位置，再利用无线技术把采集到的信号进行传输和显示。为了确保温度测量的安全性，对高电压和低电压工作部件进行绝缘，防止泄漏和其他事故。通常，在工作设备的外部表面上设有多个信道，用于对多个地点进行即时监控与数据处理，然后将接收机所接收的资料经由串行或并行端口传送至电脑，经预先编制的程式加以分析及加工。

图 1 高压电力设备无线测温系统的结构示意图

2.1 温度传感器

   温度传感器的作用是把温度信号转换成电讯号，通常采用 Pt100 型温差电偶计，其测量准确度可达 0.1摄氏度。也可采用零磁通微型电流传感器，同样具有较高的应用价值。从技术上来说，磁力传感器选择了低损耗的坡莫合金作为铁芯，并利用特殊的负压技术和保护手段，实现了对铁芯的自动补偿，使得铁芯处于零磁通的理想工作条件下。无线温度传感器除了测温器件之外，还包括供电电源、测量电路、逻辑控制电路和特定的频率下的无线电通讯电路。为适应较高的工作条件，一般采用高温、高压的热收缩管材包装，并具有一定的防水、防尘性能，以保证长期使用。由于无线测温设备通常工作区很小，所以在使用过程中要尽可能缩小其尺寸以满足工作条件。当采用温度传感器时，可以采用耐热的胶合线或胶合技术将热敏元件与物件的外表相结合，但应注意保持接触点的紧密，以降低测量的误差。无线温度传感器应该具有较宽的线性工作范围，通常选用-55~130 摄氏度的感温元件，并针对各种工况结合测量精度和测量误差的要求进行温度传感器的选择。

2.2 无线温度检测器

   无线温度检测器系统具有多个接收信道，能够对多个不同的测点进行实时的处理和显示。在无线温度检测器中设有判断和故障处置功能，由工作人员预先设定一个安全区，由无线温度检测器将采集到的信息与设定的阈值进行比对，如果温度超过该阈值，则进入故障处理模组，并将警示文字输出，并输出一组高、低的电平来启动警报信号和声音。无线温度检测器除了具备基本的检测和警报的作用外，还具备了信息传递的能力，它可以通过一条数据线路或一条串/并端口通讯晶片与电脑相连，员工可以对多个开关、接触部位进行实时监测，并对其运行状态进行控制，从而及时发现存在的安全问题。

2.3 实时温度监测系统

   相较于上述的传感器与检测器此类硬件设施，实时温度监测系统更偏向于无线测温系统中的软件系统。实时温度监测系统是整体无线测温硬件运行、数据处理、信号收集等功能的统合，通过客户端的界面与工作人员进行联系和指令的上传下达。为了减少操作工人的劳动强度，技术工作者研制出符合以上所描述的实时温度监测系统，以便对硬件部分测温结果进行分析和处理。实时温度监测系统具有温度显示、数据存储、历史数据分析对比、故障警示、故障分析、设备运行状况分析等功能，可以对硬件部分的功能进行整合与补全。在实时温度监测系统的设计中，可以将冗杂的数据处理工作采用一些模块化的设计方法，将各模块单元按照功能进行分解，分门别类的储存数据与处理数据，这种模块化的设计方法可以让实时温度监测系统具有更高的适用性与安全性。实时温度监测系统能够协助技术工作者进行大量的资料收集、提取、比较、分析工作，并能根据不同设备的不同温度，实时报告各种异常状况，确保各项装置的正常工作。同时，实时温度监测系统还具备较好的数学运算及可视化性能，能够将某一时期的资料显示为图表，并对其进行数据标记，方便后期维护保养。

3无线测温系统在高压电气设备上的应用优点与不足

3.1 无线测温系统在电气设备中应用的技术优势

   随着科技的进步，无线测温系统经过了无数次的升级与升级，其性能变得越来越强，对温度的监测也越来越准确。当前的电力建设需要无线测温系统越来越实时化、准确化，高压电气设备更是如此，无线测温系统也随着高压电气设备的应用而不断调整。在讯号接收方面，无线测温系统依据高压电气设备的特点，延伸出较高的信号频率，具有良好的稳定性，不易被外界因素干扰。在信号传输上，采用了无线通讯技术，这种技术相对来说比较简单，能耗和成本比较低，而且可以根据接收的数据进行分析和处理,实时监测到仪器的工作状态，而不受天气条件的限制。可以对仪器的温度进行实时监测，避免漏检。同时，还能按用户的需求设定装置的超温报警器，并能通过声音和信号向操作人员提示特定的设备位置。

3.2 无线测温系统在电气设备中应用的不足

   采用了无线测温系统的高压电气设备温度测量，降低了变电站操作人员的巡视工作强度，也同时提高了设备的安全性能。但是，在实际使用中，无线测温系统也存在着一定的缺点。首先，无线测温系统是一种主动式的技术，它需要内置一个电池来供电，当电池耗尽时，无线测温系统就会自动关闭，工作人员无法看到设备温度，只能通过断开线路来替换电池重新恢复连接，从而使变电所的开关工作和意外断电的数量大幅度提高。为了解决这个问题，我们可以在技术上进行改进，将内置的电池换成被动式电源，利用固定点的电流产生的电磁波作为动力，使整个系统的可靠性得到了提升。其次，在实际应用中，电源装置的一些温控指标常常会出现故障，初步判断为无线测温传感器电池电量不足所致，经停电更换无线测温传感器后，此现象依然存在。这种情况需要对现场进行检测，对接收端的安装进行调试，缩短与温度测量点与无线测温系统之间的距离，避免了这种情况的出现。另外，使用自带有源技术的无线测温传感器不能更换电池，如果检测到其电池的电量不够，须对无线传感器进行替换，这不但会提高仪器的维修费用，还会造成设备的资源消耗。

4无线测温系统的应用实例

   与国外的无线测温系统技术比较，国内的温度测量技术发展相对滞后，但由于近年来国内产业对此的持续关注，在这一领域的投资、人力、物力都得到了提高。在电力产业中，有很多辅助设备装置，尤其是对电力运行的监控设备。就是当线路运行到一定的负载或者是高温的时候，这个装置就会自动的停止供电，避免出现意外。这些实用的新型产品多用于高压电气设备，其各个接口都是事先安装好的，无法替换。虽然一定程度上会减少电阻的产生，但是由于长期的工作，很容易造成故障，导致设备自身的电阻加大，在运行期间也会增加热量。长期如此，容易易造成安全事故，危及人民的人身、财产的健康。针对这种情况，国内部分公司纷纷将无线测温技术应用于电力生产中。随着这项技术的普及，现在不仅是电力行业，而且还在具有温升问题的其他行业中得到了广泛的使用。

5应用场景

   电气接点在线测温装置适用于高低压开关柜内电缆接头、断路器触头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测，防止在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接点接触电阻过大而发热成为安全隐患，提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态，降低设备事故率。

6系统硬件配置

   温度在线监测系统主要由设备层的温度传感器和温度采集/显示单元，通讯层的边缘计算网关以及站控层的测温系统主机组成，实现变配电系统关键电气部位的温度在线监测。