隔離開(kāi)關(guān)測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

艾 嶠 孫 燕 楊麗敏/國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司

隔離開(kāi)關(guān)測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

艾 嶠 孫 燕 楊麗敏/國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司

該項(xiàng)目提出一種新的隔離開(kāi)關(guān)溫度懸浮測(cè)量方案，這種技術(shù)方案的主要特點(diǎn)是溫度測(cè)量裝置被懸掛在隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)電臂上接近觸頭的位置，懸掛點(diǎn)埋設(shè)了測(cè)溫元件，可以直接對(duì)觸頭附近的溫度進(jìn)行測(cè)量；整個(gè)裝置通過(guò)感應(yīng)交變的高壓電場(chǎng)來(lái)取能，屬于自供電系統(tǒng)，無(wú)需外加電源；測(cè)量結(jié)果通過(guò)ZigBee無(wú)線射頻技術(shù)發(fā)送到變電站的主控室，對(duì)于多個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，它們可以組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這種技術(shù)具有明顯的創(chuàng)新性，比目前采用太陽(yáng)能或其它供能方式的溫度測(cè)量方案具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

測(cè)溫;電源;無(wú)限射頻

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，高壓輸電設(shè)備（例如隔離開(kāi)關(guān)）的溫度在線監(jiān)測(cè)成為一個(gè)越來(lái)越重要的課題。由于隔離開(kāi)關(guān)的觸頭溫升嚴(yán)重影響其安全工作性能和壽命，因此對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確和及時(shí)的監(jiān)測(cè)對(duì)于提高設(shè)備的安全性，預(yù)防事故發(fā)生具有重要的意義。相比于非接觸式紅外測(cè)溫技術(shù)，

目前國(guó)內(nèi)外提出的有關(guān)高壓隔離開(kāi)關(guān)溫度在線測(cè)量和傳輸系統(tǒng)的主要技術(shù)方案可從溫度測(cè)量、供能方式和信號(hào)傳輸三個(gè)方面概括，本文將主要從溫度測(cè)量和供能方式兩個(gè)方面描述。

1、溫度測(cè)量

對(duì)高壓隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行溫度測(cè)量的方法主要包括接觸式和非接觸式兩種。

接觸式測(cè)溫主要是在隔離開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電臂上埋設(shè)熱電偶或熱電阻等測(cè)溫元件進(jìn)行溫度測(cè)量，這種方法的測(cè)量準(zhǔn)確度高，成本低廉，而且可以實(shí)現(xiàn)微功耗測(cè)量，但是由于測(cè)量裝置安裝在高壓側(cè)，因此如何為其提供工作電源以及如何將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞到主控室是需要研究的問(wèn)題。

非接觸式測(cè)溫主要利用紅外測(cè)溫技術(shù)，通過(guò)紅外探頭對(duì)設(shè)備輻射的溫度進(jìn)行測(cè)量。采用紅外測(cè)溫，整個(gè)測(cè)量裝置可以放置在低壓側(cè)，其工作電源可以通過(guò)電壓互感器來(lái)提供，或者通過(guò)電池來(lái)供電（電池的更換比較容易）。但是紅外測(cè)溫技術(shù)比較復(fù)雜，首先不同的被測(cè)物體表面材料不同，則其輻射率也不同，因此對(duì)溫度測(cè)量準(zhǔn)確度的影響比較大。針對(duì)不同型號(hào)和不同觸頭材料的開(kāi)關(guān)，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，紅外傳感器都需要進(jìn)行繁瑣的標(biāo)定工作?！?】另外，紅外傳感器與被測(cè)物體之間的安裝距離以及安裝角度也都會(huì)影響到測(cè)量的結(jié)果。最后，采用電壓互感器供電需要鋪設(shè)專(zhuān)門(mén)的電源線，而電池供電則需要定期維護(hù)。這些都會(huì)增加這種技術(shù)方案的成本，如果溫度測(cè)量的節(jié)點(diǎn)比較多，那么這種技術(shù)方案的成本也會(huì)比較高。

除此之外，光纖測(cè)溫技術(shù)研究也比較多，光纖是非常好的絕緣介質(zhì)，同時(shí)也是溫度傳感元件，因此利用光纖對(duì)溫度進(jìn)行傳感，而在低壓側(cè)進(jìn)行溫度測(cè)量是這種方案最重要的特點(diǎn)?！?】不過(guò)，光纖測(cè)溫的成本比較高，特別是如果距離比較遠(yuǎn)，并且測(cè)溫點(diǎn)比較多，那么造價(jià)相當(dāng)昂貴。

2、供能方式

如果采用接觸式測(cè)量方案，隔離開(kāi)關(guān)溫度在線測(cè)量裝置需要安裝在高壓側(cè)，因此如何提供裝置的工作電源是一個(gè)核心問(wèn)題，現(xiàn)有的主要技術(shù)方案包括：

2.1 、電流線圈取能

這種方案的主要原理是在輸電線上套裝一個(gè)電流線圈，通過(guò)線圈互感和輸電線中的電流來(lái)取能。由于負(fù)載變化，流過(guò)電流線圈電流也會(huì)隨之變化，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，供能充足，當(dāng)負(fù)載不足時(shí)，供能又面臨不足。

電流線圈取能方式還需面對(duì)其他問(wèn)題，當(dāng)負(fù)載過(guò)重時(shí)，電流過(guò)大，測(cè)溫系統(tǒng)也不能夠正常工作，需要采用限制電流傳輸?shù)姆椒?，電流線圈取能方式還要能夠承受系統(tǒng)短路電路的沖擊，電流線圈體積較大，安裝也頗為復(fù)雜。

采用電流線圈取能方式及增加了成本，也加大了技術(shù)難度。

2.2 太陽(yáng)能與風(fēng)能

這種方案目前研究比較多，主要原理是通過(guò)太陽(yáng)能電池板來(lái)提供能量，這種技術(shù)往往配合儲(chǔ)能電池一起使用，以便應(yīng)付夜晚供能不足的問(wèn)題。太陽(yáng)能電池供電方案的主要缺點(diǎn)是成本較高，體積大，另外用于儲(chǔ)能的電池壽命有限。.還有些方案中也提出采用小風(fēng)機(jī)來(lái)提供能量或者采用太陽(yáng)能和小風(fēng)機(jī)復(fù)合供能的方式，不過(guò)小風(fēng)機(jī)的可靠性較差，特別是強(qiáng)風(fēng)情況下容易損壞，因此使用不多。

2.3 電場(chǎng)感應(yīng)供能

圖1 采用放電方式的感應(yīng)法取能原理圖

電場(chǎng)感應(yīng)供能的基本原理是利用高壓傳輸線的空間位移電流給一個(gè)取能電容充電，然后利用電容放電為溫度測(cè)量電路和射頻收發(fā)電路供電。高壓傳輸線的空間位移電流密度取決于電壓等級(jí)以及距離地面的高度，通常是比較小的。經(jīng)測(cè)試后結(jié)果表明，在20000V電壓，距離地面2m高的地方，單位面積高壓輸電線的位移電流密度大約為0.14uA/cm2。為了能夠提供溫度測(cè)量和射頻收發(fā)電路一次工作的功率消耗以及保證最低工作時(shí)間（大約4秒），需要較大的電容器（至少1100uF以上）來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能（儲(chǔ)能電壓需要超過(guò)35V）。如果位移電流的幅度過(guò)低，則會(huì)造成較長(zhǎng)的充電時(shí)間，此時(shí)，充電控制電路的泄露電流的影響就不容忽視，因此整個(gè)感應(yīng)法取能的主要技術(shù)瓶頸在于如何提高充電速率效率以及降低充電控制電路的泄露。為此，本項(xiàng)目提出的主要解決方案如圖1。

由于電容的儲(chǔ)能與電壓平方成正比，因此提高充電電壓會(huì)使電容的儲(chǔ)能大大增加（例如使一個(gè)1uF的電容器充電到800V），但是這么高的電壓對(duì)于電子設(shè)備是無(wú)法直接利用的，因此需要通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)和變壓器使其向一個(gè)大容量?jī)?chǔ)能電容器放電，把電壓降下來(lái)。變壓器有兩個(gè)重要的作用：一是能夠使放電開(kāi)關(guān)處于低電壓側(cè)；二是實(shí)現(xiàn)放電功率的傳遞。直接利用高壓輸電線對(duì)地之間的工頻交變電場(chǎng)來(lái)取能以維持溫度懸浮測(cè)量系統(tǒng)的間歇式的工作模式具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。一方面，高壓輸電線的電壓是非常穩(wěn)定的，不會(huì)出現(xiàn)大起大落，所以直接利用電場(chǎng)感應(yīng)來(lái)取能是非常穩(wěn)定的能量供應(yīng)方式；另一方面，通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)取能可以采用在隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)電臂上懸掛面積足夠大的對(duì)地極板來(lái)實(shí)現(xiàn)（面積的大小取決于輸電電壓等級(jí)以及對(duì)地距離），實(shí)現(xiàn)成本是比較低。

3、信號(hào)傳輸

信號(hào)傳輸采用無(wú)線射頻技術(shù)，無(wú)限射頻技術(shù)指的是在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用頻段（ISM）應(yīng)用的各種射頻收發(fā)器模塊以及建立于其上的通訊協(xié)議。這個(gè)頻段只要遵守一定的發(fā)射功率就可以不需要申請(qǐng)?jiān)S可證，從而建立起自己專(zhuān)屬的通訊網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容的原理簡(jiǎn)述以及技術(shù)應(yīng)用。

目前在各項(xiàng)試驗(yàn)中驗(yàn)證了這種技術(shù)方案與大容量電容直接取能方式相比，可以提高儲(chǔ)能效率2-3倍左右。對(duì)于變電站隔離開(kāi)關(guān)的溫度在線測(cè)量問(wèn)題，寧夏電力公司和西安交通大學(xué)聯(lián)合提出了一種新的接觸式技術(shù)方案。在這種技術(shù)方案中，溫度測(cè)量裝置被懸掛在隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)電臂上接近觸頭的位置，懸掛點(diǎn)埋設(shè)了測(cè)溫元件，可以直接對(duì)觸頭附近的溫度進(jìn)行測(cè)量；整個(gè)裝置通過(guò)感應(yīng)交變的高壓電場(chǎng)來(lái)取能，屬于自供電系統(tǒng)，無(wú)需外加電源；

由于溫度不是一個(gè)瞬變量，因此對(duì)電力設(shè)備溫升的監(jiān)測(cè)往往具有一定的時(shí)間間隔。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量系統(tǒng)可以處于休眠的狀態(tài)來(lái)節(jié)省功耗，同時(shí)也可以利用這個(gè)時(shí)間間隔對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的下一次工作進(jìn)行儲(chǔ)能。如果測(cè)量系統(tǒng)對(duì)溫度的檢測(cè)以及傳輸所占用的時(shí)間非常短，而兩次測(cè)量的時(shí)間間隔足夠長(zhǎng)，那么測(cè)量系統(tǒng)的平均功率其實(shí)是非常小的?！?】所以，電力設(shè)備的溫度懸浮測(cè)量系統(tǒng)需要一個(gè)穩(wěn)定的但是平均功率不大的能量供應(yīng)，同時(shí)供能方式的成本要足夠低以降低大量安裝這樣的設(shè)備所帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)。目前，設(shè)備已經(jīng)在寧夏電力公司銀川供電局興慶變投入運(yùn)行。

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艾嶠（1987－），男，陜西米脂人，大學(xué)本科，從事變電站自動(dòng)化、檢修及仿真領(lǐng)域的研究。