基于无源无线传感器的10kV高压室测温方案研究_李明.pdf

2023.02.DQGY 59PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY的辅助设备，虽然应用广泛，但存在不少缺点，如需要人员定期到场检测、容易造成漏检或误检、无法实现实时监控、容易受环境影响等。同时由于示温贴纸和红外测温仪均是表面性的检测，无法检测视线范围外的电线电缆温度，不仅可能影响实际数据的准确性，还容易造成安全隐患的遗漏，导致安全事故的发生。因此，对于10kV高压室庞大的电线电缆测温需求，研发一种能适用于其电缆测温并能在线查看的监控系统成为迫切的需求。1.2 运行现状某水厂1#高炉水处理10kV高压室中共19面开关柜，其数量庞大、线缆复杂，温度监测管控工作难度较高。各开关柜的接点温度监测手段仅局限于对接头、本体温度等部位进行人工巡检，而对开关柜断路器接点无较好监测手段，造成开关柜固件损坏严重，如图1所示。为解决上述问题，某水厂对1#高炉水处理10kV测温模式进行调整，采用无线测温系统方案，利用接触0 引言在电力系统中，10kV高压室作为重要的基础设施，其安全质量决定着整个配电系统的运行效益，因此10kV高压室的内部设施、设备的安全监测十分重要。尤其是在温度监测过程中，要做好开关柜触头的逐一测定，有效检查电缆发热隐患，早预防、早处理，从而避免由电缆过热引起的短路或火灾，保障10kV高压室安全、稳定、可靠、高效运行。1 需求分析1.1 研究背景配电运维管理过程中要求：“对额定电压3kV及以上、频率50Hz长期工作电器，如断路器、隔离开关、封闭式组合电器、金属封闭开关设备、负荷开关等产品，必须进行发热试验，以保证长期通过额定工作电流下，电器各部位的温度不超过标准允许的数值”。上述过程往往要借助测温技术实现，应用较多的为示温贴纸和红外测温仪。这两种方式均为人工巡检李明 赖永杰（广东电网有限责任公司茂名电白供电局）基于无源无线传感器的10kV高压室测温方案研究摘要：近年来由触头温度异常引起的10kV开关柜事故屡见不鲜，严重影响了其安全效益和运行质量。研究从10kV高压室中开关柜运行现状出发，设计一种基于无线测温实时温度在线查看系统。将无源无线测温装置安装在电缆头上，在所需监测的高压室内安装一个信号接收器。由分布在不同发热点的无源无线传感器采集电缆表面温度，经接收器汇总、传输、处理并转化，借助流量卡发送至终端显示，从而为配电运维管控提供有效参考依据。关键词：10kV开关柜；发热；无源无线传感器；测温方案电器工业202302设计排版.indd 672023.3.1 2:36:36 PM2023.02.DQGY 60PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY式无线测温的监测和分析，捕捉10kV开关柜运行异常，及时发现设备事故的早期征兆并科学处理，其关键需求如下：1）实现全天24h不间断在线监测，监测数据一越限即声光报警；2）逐步替代人工巡检，节约10kV高压室运维管控成本；3）征兆式报警，将事故消灭在萌芽阶段，防止事态的升级、恶化；4）对各节点温度数据进行存储，以便随时查看及后期分析等。2 测温方案2.1 技术对比文献资料显示：10kV高压室测温时常采用红外测温、CT取电测温、有源无线测温和无源无线测温方式。其中，无源无线测温过程中采用EH技术取电，可灵活安装在动触头、静触头、母排、电缆进出线及其他潜在发热点，紧固材料具有耐高温、防老化、导磁、耐候等特性，适用范围广、可靠性能高、实用效益强，如表1所示。表1 无源无线测温方案的优势分析 测温方法 技术指标红外测温有源无线测温CT取电测温无源无线测温测温精度2.01.01.00.5响应速度稍慢快快快尺寸大小稍大较小大极小适用性柜内裸露部位测温母排、静触头等母排，静触头等动触头、母排等接收终端要求RS485通信，每台限32个测温点无线通信，每台接数百测温点无线通信，每台接数百测温点无线通信，每台接数百测温点影响因素镜头需要调焦和对准发热点，物距比直接影响精度，套管、柜壁等阻挡其测量，振动、尘土影响其测量受电池寿命和高温特性制约，体积稍大，关键部位不能安装，测量间隔长母线电流大于50A时才能工作，母线电流过大时自身发热严重，故障率高母线电流大于10A可工作安装维护需要对准发热部位，需在开关柜上钻孔，需要在布线连接，定期除尘、对准无需布线和破坏结构，需要更换电池安装方式麻烦，需按测点尺寸选配不同型号，后期维护频繁无需布线和破坏结构，基本免维护图1 长期高温造成的固件损坏情况2.2 系统设计某水厂1#高炉水处理10kV在线测温监测系统主要采用无源无线测温方案，其主要由10kV高压室开关柜温度在线监测系统及集控中心后台监测系统组成，并将各子系统数据集成为一个完整的在线监测系统，对高压室主要设备进行实时在线状态监测，确保设备电器工业202302设计排版.indd 682023.3.1 2:36:37 PM2023.02.DQGY 61PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY安全正常的运行，如图2所示。图2 基于无源无线传感器的10kV高压室在线测温系统（1）感知层由无线温度传感器组成，分布于各个发热点，可实时测量其表面温度，并将温度数据通过无线方式上传给接收终端。本设计中采用的基于高压电场能的能量收集型自供电无线温度传感器（SPS061-V2）集无线数字通信技术及低功耗技术、EH技术于一体，可实现免维护、自供电、高精度、电气隔离、主回路无电流、实时温度监测，技术参数见表2。（2）网络层由SPW2000F无线温度接收终端组成，在系统中承担着数据中继功能，它接收到传感器的数据之后再通过光纤、485或者无线等方式传输给数据后台。该装置采用多通信口实现数据中继功能，支持双光口、双无线、双485、单网口、光纤接入，如图3所示。（3）应用层由显示平台、移动终端组成。数据到达后台后，用户可以通过浏览器方式监测现场每个传感器的实时温度、历史曲线，如果出现超温情况，可以快速定位并及时通知相关人员。本次设计的后台工控机采用B/S结构，具有独立的软件著作权，具有人机界面友好、操作方便、数据全面、功能完善的特点，同时还可实现短信报警和Web访问功能。2.3 功能优化基于无源无线传感器的10kV高压室测温系统中应做好状态全息感知功能、自动安全预警功能、智能辅助决策功能的设计和优化，形成智能、高效、科学的实时在线监测体系。（1）状态全息感知功能在10kV高压室开关柜电缆中安装无源无线温度表2 无源无线温度传感器的基本参数技术指标基本参数工作环境-4085,95%RH工作频段433MHz发射功率10dbm传输距离 150m视距，实际情况据现场条件而定测温方式接触式体积轻小，优先安装动触头测温范围-45+125测量精度1测量间隔5s发送间隔2060s温度越高发送间隔越短休眠功耗3.0A发射功耗15mA供电方式能量收集启动电流 5A使用寿命10年可维护性后期基本免维护外形尺寸27.28mm22mm9.8mm传感器主体尺寸安装方式固定式可安装动、静触头以及母排、电缆进出线图3 SPW2000F无线温度接收终端应用层网络层感知层电器工业202302设计排版.indd 692023.3.1 2:36:37 PM2023.02.DQGY 62PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY传感器后，可增设电气量采集传感器和触头压力传感器，并配置相同的接收终端，用于电气量数据采集及综合对比分析，以便于全面反映10kV高压室开关柜的运行现状，实现开关柜安全状态的全息感知。（2）自动安全预警功能可根据10kV高压室开关柜的安全技术标准及常规运行状态，设置合理的温度阈值。同时，还可在无线测温系统中的边缘计算网关内配置温度越限、温度突变、温度渐变等识别模块，精准反映10kV高压室开关柜温度异常情况，进行对应声光告警，以便于人员能够高效检修、科学处置。（3）智能辅助决策功能要在配网运行中的SCDAD数据平台基础上引入在线测温系统，由云平台与在线测温网络中的数据共享、数据交互，快速监测10kV高压室开关柜温度异常信息，并快速响应，生成故障处理、运行调整、负荷管理等多类型、多功能辅助决策，以保证10kV高压室开关柜安全、稳定、高效运行。3 安装应用某水厂1#高炉水处理10kV在线测温监测项目包括1个高压室，共计19面开关柜。在安装过程中应按照顺序在开关柜、高压室和主控室分别安装测温传感器、测温终端及后台监控系统，并进行质量检验和性能测试。3.1 测温传感器安装某水厂1#高炉水处理在线测温系统安装过程中在10kV开关柜安装162只SPS061-V2测温传感器，其安装分布如下：1）18面开关柜。采用9点测温方式，监测断路器上、下动触头，出线母排的温度变化情况；2）1面母联柜。采用6点测温方式，监测进线、出线接头的温度变化情况。安装过程中采用捆绑式，通过合金带将无源无线测温传感器固定于需测温节点的就近位置，并使传感器感温部位与被检测部位表面充分接触以保证测温效果。除此之外，还要严格检查传感器安装后的电气间隙，保证其不低于对应电压等级的最低安全间隙。3.2 测温终端安装某水厂1#高炉水处理在线测温系统安装过程中在10kV高压室安装1台无线测温终端。安装过程中采取壁挂式，即悬挂在墙壁上，通过专用的箱体对其进行固定和保护，安全可靠，操作维护方便。3.3 监控系统安装某水厂1#高炉水处理在线测温系统安装过程中在主控室安装1套后台监控系统。安装过程中要严格控制远程通信布线，根据无线接收终端、站端系统和开关柜所在空间之间平面图，合理采用光纤通信或者无线远程通信。若无线接收终端与后台通信距离小于100m，建议使用RS485方式通信，通信线缆采用双绞屏蔽线缆，防止环境其他信号干扰。安装完毕后，要对监控后台功能进行测试，检查通信数据接收、处理、存储、显示、报警提示灯功能是否正常，界面显示包括概括图、详细图、曲线图、一次图是否完整，超温报警是否正常等。4 结束语无源无线传感器可靠性强、操作简单、易于维护，可适用于多场景的实时温度监测，实用效益显著。在10kV高压室开关柜温度监测过程中，可运用无源无线传感器进行触头、接线等温度的实时测定，配合接收终端和监控系统，综合展示10kV高压室开关柜的运行状态，及时发现其温度异常缺陷并处理，避免由持续高温导致的开关柜损毁或大面积断电，提升系统供电可靠率。参考文献1 杨威,吴明孝,石磊,等.高压开关柜触头温度监测技术的研究综述与展望J.电工电气,2022(6):1-7,13.（下转第73页）电器工业202302设计排版.indd 702023.3.1 2:36:37 PMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 73PRODVCT AND TECHNIC产品与技术量验收工具几乎可以将全部故障点准确检测出来，其故障检测准确率平均高达95.48%，较普通验收系统提升15.77%，具有更好的故障检测精度。与此同时，获得这两种验收方案的故障检测时间结果如图2所示。4 结束语随着光纤网络的迅速普及，智能变电站的光纤回路的维护管理工作量不断增大。因此，为确保智能变电站光纤网络的稳定运行，对光纤回路安装效果的验收工作十分必要。本文为提升智能变电站光纤回路验收效率，设计一种适用于智能变电站光纤回路批量验收的工具，经过实例应用验证了该工具性能良好，可以准确、高效地实现光纤回路验收，减少对人力物力的需求。参考文献1张峰,韩伟,宋闯,等.智能变电站光纤链路在线监测与自动化测试系统设计J.合肥工业大学学报(自然科学版),2021,44(8):1038-1044.2刘晨,李文宏,袁一博,等.一种远距离高分辨率检测光纤链路的方案J.光通信研究