10kV高壓開關柜無線測溫系統設計及產品選型

錢琪明

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：保障電力系統穩(wěn)定安全運行的一個重要部分為高壓開關柜。高壓開關柜的運行狀態(tài)非常關鍵，因為整體溫度太高會逐漸損耗其電氣設備。分析10kV高壓開關柜無線測溫技術，闡述10kV高壓開關柜無線測溫系統的設計、技術特點及工作原理，總結了無線測溫技術在10kV高壓開關柜中的應用。

關鍵詞:電氣設備；高壓開關柜；無線測溫技術

一、10kV高壓開關柜無線測溫系統的整體設計

1、整體設計

本文選擇KYN型開關柜作為研究對象，而K、Y、N分別是鎧裝式金屬封閉開關設備、移動式結構以及戶內裝置。根據10kV高壓開關柜的安全運行需求，10kV高壓開關柜的整體設計要從體積、絕緣性能、成本以及可靠性等方面給予考慮。針對系統的設計分析，主要由3部分組成，即高壓測發(fā)射端、低壓側接收端以及上位機數據處理控制。這一設計考慮到KYN型開關柜所具備的6個梅花觸頭，并提供了470MHz無線數據傳輸通道。由于選取了CT互感器作為高壓側電源，ATE400溫度傳感器測量觸頭溫度，系統由此能夠準確反映觸頭溫度變化。

2、溫度傳感器的選擇

一般工業(yè)場所使用的溫度傳感器主要有熱電偶溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器以及集成溫度傳感器等。整合多個傳感器可以發(fā)現，每一個傳感器自身都有明確的溫度測量范圍。明確的溫度測量范圍值，可以認知其傳感器的適應溫度環(huán)境的變化程度。結合設計成本和難度，大多數10kV高壓開關柜無線測溫系統都會選擇應用ATE400溫度傳感器。究其原因，主要是其ATE400溫度傳感器的價格比較實惠，同時具備高精度測量、簡便的測溫路線以及使用拓展性方便的優(yōu)勢。

3、高、低壓側信號傳輸方式選擇

無線信號傳輸方式的選擇一定程度上決定了10kV高壓開關柜無線測溫系統設計的良好程度。無線信號傳輸方式有藍牙技術、紅外技術等。但是，由于不同技術的抗干擾性以及功耗有所不同，因此10kV高壓開關柜無線測溫系統在無線信號傳輸方式上主要選擇藍牙技術。

4、高壓側供電方式選擇

供電電源間的高壓側電路需要滿足不間斷供電、抗干擾能力強以及高穩(wěn)定輸出等要求。目前的供電方式主要有激光供電、太陽能供電、CT互感器電源供電以及電池供電等。但是，10kV高壓開關柜無線測溫系統主要應用了CT互感器電源供電方式，因為CT互感器電源供電更能滿足高壓側電路多種需求點，同時具備結構安全、應用成熟以及使用環(huán)境優(yōu)良的優(yōu)勢。

二、10kV高壓開關柜無線測溫傳感器的原理

1、無線測溫原理

  結合不同的溫度傳感元件進行測溫就是無線測溫原理，而溫度傳感元件主要有熱敏電阻溫度傳感器、紅外線測溫傳感器、半導體傳感器、聲表面溫度傳感器以及無源無線溫度傳感器等。

2、熱敏電阻溫度傳感器

  針對不斷變化的溫度，它的阻值也呈現出不同程度的變化，即熱敏電阻溫度傳感器的原理。反過來，可以結合阻值的大小判斷溫度的高低。它的優(yōu)勢也由此顯現，即具備較高的靈敏度，劣勢即熱敏電阻值與溫度的線性關系變差，進一步導致元件被老化，縮短了熱敏電阻溫度傳感器的使用年限，還會隨著長時間的使用使其溫度測定準確度和穩(wěn)定性變差。

3、紅外測溫度傳感器

  黑體輻射定律就是紅外測溫度傳感器應用原理，即任意一個物體只要高于0P,就會不自覺地發(fā)射出紅外線。它的特點就是應用非接觸式的測量，所以測量探頭以及被測物體不需要進行遮擋，也不用做出多種絕緣處理。但是，紅外測溫度傳感器非常容易受到溫度、濕

度以及輻射等因素的影響，導致測溫精度出現偏差。

4、半導體傳感器

  PN作為一個測溫元件，它的原理是隨著溫度的變化其阻值也在發(fā)生變化。通過加強恒定電流的方式，結合運行狀態(tài)中電流的大小，測定其高壓開關柜的溫度。雖然這種方式測定的溫度準確度高，但是整體的靈敏度不如熱敏電阻，因為其反應的時間較長。然而，半導體傳感器不易老化，而且整體的使用年限較高，因此具有較高的可靠性。

5、聲表面溫度傳感器

  聲表面溫度傳感器測溫方式非常特殊，即為無源測量，可以借助無線傳輸測量高壓開關柜的具體溫度。整體優(yōu)勢是體積小，不用結合電源，但是整體的傳輸距離短，且整個傳輸過程不能有障礙物，否則易發(fā)生位移和震動的情況，非常容易產生聲表面相位變化，影響其測溫值的準確性。

6、無源無線溫度傳感器

  應用能量收集方式進行能量的獲取來滿足無源無線溫度傳感器的能量需求，即可以充分摒棄傳統電池和CT取電的方式。整個無源無線溫度傳感器安全可靠性較高。整個能量收集技術沒有污染，還有可循環(huán)、低能耗的優(yōu)點。因此，未來的無線測溫系統的發(fā)展大多會建立在微電子技術與微功耗技術上，并呈現出多種類似于無源無線溫度傳感器的方式。

三、無線測溫系統的技術特點

1、安全性

  獨立式的電位絕緣安裝的無線測溫系統，是可以大范圍規(guī)避其爬電帶來的不良影響的系統，還能有效提升電氣設備的安全性能。因此，整個無線測溫系統的技術呈現為較高的安全性。

2、準確性

  無線測溫系統應用的器件大多數為高精度數字傳感器，可以充分肯定測溫方式多為接觸式。整個傳感器的位置非常接近發(fā)熱點，可以實現快速測定溫度點的溫度變化的目標，顯示出無線測溫系統的整體測量準確性。

3、靈活性

  由于無線測溫器件本身體積較小，所以整個器件安裝過程非常便捷，整個組網也非常靈活，即可以應用無線或者有線的網絡連線方式。器件的體積小還能方便多個監(jiān)控點的安裝，得到全方位的測量數據。

4、易用性

  無線測溫系統的整個操作平臺主要是應用模塊化設計，因此會更加便捷性地鏈接其網絡，進而得到自動化控制系統，且整體的使用性能也更加方便。

5、功耗低

低功耗的設計理念應用于無線測溫，可以達成正常測溫的目的，同時提升無線測溫傳感器的使用年限。

四、10kV高壓開關柜無線測溫技術的應用

  現階段，我國多個企業(yè)公司的科研院校以及部門都已經研制出多個不同類型的10kV高壓開關柜無線溫度在線檢測測量系統。比如，某一公司早已研制出一種特殊裝置，從正常層面上認知其裝置是一種非接觸型溫度監(jiān)測系統，主要的監(jiān)測功能是進行配電開關柜中一個特定部位溫度連續(xù)性的監(jiān)控，且這個監(jiān)測部位是整個10kV高壓開關柜的關鍵部位。監(jiān)測其部位的目的是得到準確度較高的運行工作狀態(tài)以及溫度，同時其非接觸型溫度監(jiān)測系統還監(jiān)測斷路器的工作狀態(tài)。整個非接觸型溫度監(jiān)測系統使用的組成元件有石英晶體聲表面波元件。眾所周知，石英晶體聲表面波元件應用到10kV高壓開關柜無線測溫技術中，主要作為溫度敏感元件。該溫度敏感元件會直接粘貼在待測的位置點。由溫度敏感元件組成的10kV高壓開關柜會組成振蕩回路輸出與溫度有關的頻率信號。10kV高壓開關柜無線測溫技術應用其中，能充分滿足系統并發(fā)揮其自身數字化特點，進一步抑制強電場的干擾性，達到過熱警報的目的。此外，監(jiān)控設備還可以借助微機聯網方式，得到全方位的集中式監(jiān)測。

  實際應用到10kV高壓開關柜中的無線測溫系統的優(yōu)勢非常明顯，即性能可靠、結構簡單、體積小、便捷安裝和操作。因此，多數10kV高壓開關柜都會應用無線測溫系統進行相應的測溫。同時，整個無線測溫系統的價格并不高，是人們可接受的系統價格范圍。小巧結構設計的無線測溫模塊便于變動其開關柜，即進行開關柜配套時，即使原柜結構沒有發(fā)生變動，也能進行快速安裝工作。只要對應開關柜配件，再打上相應的安裝孔，就能實現快速安裝。整個安裝過程不會影響原有的開關柜的無線測溫系統性能，尤其是針對開關柜的絕緣性能，安裝過程中絕緣性能非常好。智能電網的安全生產是一個龐大且繁雜的系統工程，經過不斷發(fā)展系統工程，明確系統工程作為電力公司以及全社會改革與創(chuàng)新的前提，能不斷推動我國智能電網的發(fā)展進程。國家早在2006年就發(fā)布了多個系統電力設備安全使用的重要文件，明確認知其國家優(yōu)先發(fā)展以及實施的主體是智能電網安全保障。我國當前處于經濟發(fā)展的增長時期，國家電網的電力供電量已經不能滿足居民的日常生活和社會生產需求。因此，國家要加大電網的供電量，但這樣會導致電網電器設備出現隱患，尤其是對于智能電網末端的10kV高壓開關柜。因此，只有確保高壓開關柜的安全，才能進一步促進電網溫度監(jiān)測效果。

五、安科瑞溫度在線監(jiān)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(jiān)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(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續(xù)、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。

  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)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(jiān)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(fā)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(yī)院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監(jiān)測。

3、系統結構

溫度在線監(jiān)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(jiān)控室，可以遠程監(jiān)視系統內所有開關設備運行溫度狀態(tài)。系統具有以下主要功能：

1）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/手機APP遠程查看數據。

2）溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

3）運行報表：查詢及打印各測溫點指定時間的溫度數據。

4）實時告警：系統能夠對各測溫點異常溫度發(fā)出告警。系統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發(fā)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。

5）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(jiān)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(jiān)測。

六、結語

就10kV高壓開關柜無線測溫技術進行深度分析，結合實際的10kV高壓開關柜無線測溫技術特點和實際應用發(fā)展狀況，達成全方位保障智能電網的安全穩(wěn)定運行，推動10kV高壓開關柜無線測溫技術的持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

［1］崔金奇．10kV高壓開關柜無線測溫技術分析[J]．通信電源技術,2020,037(005):45-46

［2］陳秋佳．高低壓成套開關設備智能化控制系統的設計與運用分析[J]．科技資訊,2018,016(004):6769

［3］安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022年05版