紅外測(cè)溫系統(tǒng)在變電站溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)安全而有效地測(cè)量開關(guān)柜電纜連接接頭溫度的問題，提出了一種變電站紅外測(cè)溫系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成、主要特點(diǎn)。結(jié)合供電局工程實(shí)際情況詳細(xì)介紹了監(jiān)控中心在線測(cè)溫軟件的應(yīng)用，通過實(shí)踐證明了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性，能夠?yàn)殡娏υO(shè)備的安全運(yùn)行提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：紅外;開關(guān)柜;測(cè)溫;變電站

Abstract：In view of the traditional temperature measurement technology is difficult to achieve a safe and effective measure switchgear cable connector temperature problem，this paper proposes a substation infrared temperature measurement system，introduces the composition and main characteristics of the system. In combination with the practical situation of power supply bureau engineering monitoring center was introduced in detail the application online temperature measurement，the real-time and effectiveness is proved through practice，can provide reliable guarantee for the safe operation of power equipment.

Key words：Infrared;switchgear;Temperature measurement;substation

1" 前言

電力開關(guān)柜、斷路器、變頻器、GIS等高壓電力設(shè)備內(nèi)部金屬連接頭是很容易出現(xiàn)接觸不良、插接偏心不正常等情況。這將導(dǎo)致接觸電阻過大，在大電流下該處發(fā)熱嚴(yán)重，其結(jié)果是接頭溫度異常，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，發(fā)展到一定階段后，則會(huì)造成嚴(yán)重故障，破壞供電的安全可靠。因此，對(duì)接觸頭進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)的發(fā)熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障的早期預(yù)測(cè)與報(bào)警對(duì)于保障設(shè)備安全和降低電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)極為重要。

分布式光纖溫度傳感技術(shù)具有抗電磁場(chǎng)干擾、信號(hào)傳輸頻帶寬等特點(diǎn)。在電力系統(tǒng)中，這種光纖傳感技術(shù)在高壓電力電纜、電氣設(shè)備因接觸不良易產(chǎn)生發(fā)熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機(jī)定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的溫度定點(diǎn)傳感場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。另外，無線組網(wǎng)技術(shù)也即現(xiàn)在非常熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過Zigbee等無線組網(wǎng)方式可以省掉鋪設(shè)電纜的麻煩，搭建了一個(gè)多點(diǎn)、大范圍的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行全天候的控制，大大節(jié)省了人力，提高了系統(tǒng)的安全監(jiān)控能力^[1-6]。

電力設(shè)備連接部位，如：母排連接點(diǎn)、各種開關(guān)、斷路器、主變接點(diǎn)、穿墻套管接頭、高壓電纜接頭等，由于氣候冷熱變化、設(shè)備基礎(chǔ)變化、材料老化、銹蝕、松動(dòng)等原因易造成接觸不良、接觸電阻增大，在電流通過時(shí)，容易燒壞設(shè)備，嚴(yán)重的甚至引起一次設(shè)備起火爆炸。雖然電力設(shè)備系統(tǒng)擁有完善的漏電、過壓、過流、短路等保護(hù)措施，但都不能全面解決系統(tǒng)中的局部過熱故障。通過對(duì)這些溫升故障點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤監(jiān)測(cè)，不僅可以防止、杜絕此類事故的發(fā)生，而且亦為電力系統(tǒng)安全可靠分析和科學(xué)調(diào)度提供重要的決策依據(jù)。

傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)一般采用數(shù)據(jù)有線傳輸?shù)姆绞?，鋪設(shè)周期長(zhǎng)、施工復(fù)雜，測(cè)量設(shè)備損壞時(shí)需要執(zhí)勤人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視排查，以及重新鋪設(shè)線路，因此后期維護(hù)工作量較大，對(duì)人力、無力、財(cái)力的需求較高，特別是在監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散的封閉開關(guān)柜接點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，許多傳統(tǒng)的測(cè)溫方法難以勝任。

2" 紅外測(cè)溫原理

光纖溫度傳感技術(shù)主要依據(jù)的是光纖的光時(shí)域反射（OTDR）原理以及光纖的背向拉曼散射（Raman Scattering）的溫度效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。因光纖內(nèi)壁類似鏡子，故光脈在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反（亦可稱為背向）。這種背向反射光的強(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度（該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度）越高，反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說，背向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測(cè)量出背向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測(cè)量溫度的基本原理^[7-15]。

本文介紹的無效測(cè)溫系統(tǒng)是基于超高頻無線通信、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（RS-485通信）、數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由系統(tǒng)由智能無線收發(fā)傳感模塊、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理主機(jī)、GPRS通信模塊、計(jì)算機(jī)通信組件、后臺(tái)監(jiān)控機(jī)（上位機(jī)）、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器及通訊線等組成。它可對(duì)變電站高壓開關(guān)柜上下觸頭以及電纜/母排的搭接處、低壓柜小母排進(jìn)出線端子、斷路器觸頭以及主開關(guān)接點(diǎn)的危險(xiǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。

3" 紅外測(cè)溫系統(tǒng)組成

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：

（1）高頻無線溫度收發(fā)單元

無線收發(fā)模塊是開關(guān)柜紅外測(cè)溫系統(tǒng)的基本單元，負(fù)責(zé)采集、發(fā)送和接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度值，發(fā)送模塊和接收模塊成組出現(xiàn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。所測(cè)溫度數(shù)據(jù)的傳輸及控制均采用先進(jìn)的技術(shù)，滿足低功耗等性能要求。

圖1

圖2

無線收發(fā)單元的特點(diǎn)如下：

①模塊外殼采用高強(qiáng)度防火工程塑料，其溫度范圍0℃-200℃，模塊內(nèi)部加注樹脂膠，擁有優(yōu)秀的絕緣、防水、防氣、防腐能力。

②先進(jìn)的微電子技術(shù)、無線射頻通訊技術(shù)，將各測(cè)溫采集模塊與發(fā)射模塊巧妙地結(jié)合在一起，獨(dú)有的低功耗設(shè)計(jì)、間歇的工作方式，保證發(fā)射模塊電池可使用5年以上。

③本收發(fā)射模塊選用無線高頻載波方式，一個(gè)接收模塊可同時(shí)接收1-12個(gè)發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)80m。

④無線溫度傳感器直接安裝于開關(guān)柜動(dòng)/靜觸頭、電纜接點(diǎn)外層、電纜或母排結(jié)合部。

⑤除完全的電氣隔離設(shè)計(jì)外、本模塊還通過了各種嚴(yán)格的測(cè)試，具有在強(qiáng)磁干擾、環(huán)境惡劣的地方正常工作的能力。

無線收發(fā)模塊性能參數(shù)：

①電池設(shè)計(jì)壽命在常溫下≥10年，高溫下≥3年;②精度：+1℃;③溫度采集頻率：每20～180s測(cè)量/發(fā)射一次;④采集模塊與接收模塊傳輸距離：≤100米;⑤測(cè)溫范圍：0-150℃⑥收發(fā)模塊短時(shí)耐受溫度：≤150℃;長(zhǎng)期耐受溫度：≤90℃。

（2）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理機(jī)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理機(jī)通過RS-485總線的方式與接收模塊進(jìn)行通信，顯示和存儲(chǔ)發(fā)射模塊所測(cè)溫度數(shù)據(jù)，一般安裝在溫度預(yù)警工作站現(xiàn)場(chǎng)，通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理機(jī)，執(zhí)勤人員可以查詢監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史和實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行設(shè)備管理。執(zhí)勤人員可以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度警戒值，在溫度超過預(yù)警值時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理機(jī)進(jìn)行聲光報(bào)警提醒維護(hù)人員排除故障，防止發(fā)生事故。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理機(jī)參數(shù)如下：

①工作溫度：-40-85℃;②工作濕度：5-95%RH;③工作功耗：5VA;④報(bào)警輸出口：繼電器無源輸出（2路常開）;⑤報(bào)警事件記錄：一共存儲(chǔ)24條報(bào)警記錄⑥當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)模擬曲線：≤24條，記錄溫度數(shù)據(jù)量≤1300個(gè);⑦通訊方式：RS485（波特率1200、2400、4800、9600）;⑧通訊協(xié)議：MODBUS;⑨抗干擾能力符合：GB9254-1998、GB/T17626.2、GB/T17626.5;⑩外殼：金屬，IP30防護(hù)等級(jí)。

（3）GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了方便進(jìn)行統(tǒng)一管理，所有現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)最終都匯集到監(jiān)控中心，而數(shù)據(jù)的傳輸一般都是采用RS-485通信電纜或者光纖等有線方式，而在電力設(shè)備比較分散的區(qū)域，鋪設(shè)通信光纜不但會(huì)耗費(fèi)大量財(cái)力，而且占用大量場(chǎng)地，經(jīng)濟(jì)效益較差，而且出現(xiàn)通信線路損壞時(shí)，難以檢測(cè)，維護(hù)壓力較大。采用GPRS通信則可以避免這些問題，它采用透明數(shù)據(jù)傳輸方式，通信不受地理環(huán)境限制，因此局內(nèi)采用GPRS作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理機(jī)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方式。

本系統(tǒng)中使用的GPRS DTU是一款超低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，通過移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定、可靠的透明數(shù)據(jù)傳輸功能。產(chǎn)品采用具有防干擾輻射的金屬外殼以及高新能ARM9系列CPU打造而成，支持多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時(shí)自動(dòng)斷線功能，具有良好的圖形化配置工具，適合在環(huán)境相對(duì)惡劣的電力工業(yè)領(lǐng)域下的無線數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS DTU參數(shù)如下：

①工作溫度：-40-80℃;②低功耗設(shè)計(jì)：休眠功耗lt;1mA，待機(jī)功耗lt;15m，通信功耗lt;35mA，電源功耗：0.1mA;③串口保護(hù)：RS232/RS485/TTL/RS422，15KV ESD保護(hù);④數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：TCP/IP協(xié)議;⑤I/O控制：6路報(bào)警輸入，6路輸出控制，支持短信報(bào)警;⑥操作系統(tǒng)支持：Linux、Unix、Windows;⑦通信網(wǎng)絡(luò)支持：GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、TD-SCDMA、HSPA+、LTE;⑧接收靈敏度lt;-107dBm;⑨發(fā)射功率：GSM850、900：lt;33dBm，GSM1800/1900：lt;30dBm;⑩通信帶寬：介于20Kbps與100Kbps之間。

（4）監(jiān)控中心溫度在線監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)軟件

供電局監(jiān)控中心搭建的溫度安全監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，是基于無線技術(shù)的變電站級(jí)別電力系統(tǒng)溫升安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)開關(guān)柜、電力線纜、母線橋架、變壓器及重要電氣設(shè)備的溫升故障進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，能有效預(yù)防電力火災(zāi)事故的發(fā)生。通過查詢系統(tǒng)的后臺(tái)電腦，值勤人員可直觀方便瀏覽本電力設(shè)備危險(xiǎn)溫度電子分布圖、實(shí)時(shí)溫度值、溫度變化曲線，在電子地圖界面，值勤人員可快速方便的查找到報(bào)警點(diǎn)位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解除故障。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

①系統(tǒng)提供了一種低成本高效率的安全監(jiān)測(cè)及管理模式：隨著科技的發(fā)展，人員、供用電系統(tǒng)、設(shè)備對(duì)安全的要求越來越高，隨著國(guó)家建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)步伐的加快，建立主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合企業(yè)安全監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)，實(shí)為一種低成本、高效率的模式。

②系統(tǒng)采用了先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)、領(lǐng)先的信號(hào)采集處理模式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的絕對(duì)的電氣隔離，英唐獨(dú)有專利技術(shù)的無線信號(hào)采集方法、嚴(yán)格的產(chǎn)品制造工藝，保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

③系統(tǒng)具有先進(jìn)的程序設(shè)計(jì)：系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)生危險(xiǎn)溫度的故障進(jìn)行分析并作相關(guān)提示，為運(yùn)行人員進(jìn)行電力設(shè)備/設(shè)施管理維護(hù)提供決策依據(jù)。

④可靠性設(shè)計(jì)：采用軍工級(jí)要求進(jìn)行設(shè)備的生產(chǎn)與測(cè)試，具有防雷、防火、防爆、防潮的特點(diǎn)，全數(shù)字化電路及智能化處理策略，使本系統(tǒng)完全杜絕了誤報(bào)的可能。

監(jiān)控軟件功能如下：

a）記錄式溫度巡檢

可以查詢每個(gè)變電所的各臺(tái)設(shè)備的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。

b）電子地圖式溫度巡檢

電子地圖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行編輯得到，與系統(tǒng)的設(shè)備及變電所進(jìn)行了關(guān)聯(lián)組態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警參數(shù)，通過實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)達(dá)到報(bào)警狀態(tài)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在電子地圖進(jìn)行聲光警訊報(bào)警，及自動(dòng)發(fā)送手機(jī)短信。

在記錄式溫度巡檢界面或電子地圖式溫度巡檢界面中均可查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、實(shí)時(shí)溫度記錄、歷史數(shù)據(jù)曲線和歷史溫度記錄。系統(tǒng)能夠提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)能力和報(bào)表打印能力，能夠方便查詢每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并打印統(tǒng)計(jì)報(bào)表;提供每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前一段時(shí)間（時(shí)間區(qū)間可設(shè)定）的溫度變化曲線與統(tǒng)計(jì)圖表;提供多樣化數(shù)據(jù)查詢模式，查詢結(jié)果包括數(shù)據(jù)記錄列表、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)圖表、溫度數(shù)據(jù)曲線、電子地圖等內(nèi)容;可以在電子地圖上方便地調(diào)出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)圖表。

4" 結(jié)束語

目前該紅外測(cè)溫系統(tǒng)已在供電局10KV變電站投入使用，從工程應(yīng)用實(shí)例看，系統(tǒng)所測(cè)溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，可靠性好。應(yīng)用這套系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌握變電站相關(guān)電力設(shè)備發(fā)熱情況，分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及健康程度，對(duì)減少電力設(shè)備事故隱患的發(fā)生具有積極的意義。目前系統(tǒng)主要應(yīng)用于監(jiān)測(cè)密封式電纜連接接頭溫度，在以后的工作中，局里將就系統(tǒng)應(yīng)用于室外高壓設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的嘗試進(jìn)行評(píng)估，爭(zhēng)取形成一套全方位的無線溫度監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)變電站所有重要電氣設(shè)備危險(xiǎn)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的良好局面。

作者簡(jiǎn)介：

戴書峰（1982年10月），男，助理工程師，臨滄局計(jì)量運(yùn)維班班長(zhǎng)，負(fù)責(zé)臨滄局計(jì)量中心電表計(jì)量運(yùn)維工作

李強(qiáng)（1985年6月），男，助理工程師，臨滄局計(jì)量運(yùn)維班副班長(zhǎng)，負(fù)責(zé)臨滄局計(jì)量中心電表計(jì)量運(yùn)維工作