高壓開關柜溫度在線監(jiān)測技術研究

李 琮，孫英濤，呂學賓，王 寧，王思源

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

高壓開關柜溫度在線監(jiān)測技術研究

李 琮1，孫英濤1，呂學賓2，王 寧1，王思源1

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

目前高壓開關柜在電力系統(tǒng)中已得到廣泛應用，因此對開關柜進行故障診斷及狀態(tài)預判就顯得極其重要。對光纖光柵及無線有源兩種常用的開關柜在線測溫技術的原理、應用及局限性進行分析比對，介紹一種新型的基于SAW傳感器的無線無源測溫技術。應用該技術組成的在線監(jiān)測系統(tǒng)可以安全、可靠、準確地獲取開關柜實時溫度信息，實現(xiàn)遠程故障預警及狀態(tài)監(jiān)測，為保障電網(wǎng)的安全運行提供有力的技術支撐。

溫度在線監(jiān)測；光纖光柵；無線有源；無線無源

Abstract:At present，high voltage switchgear has been widely used in the power system，so it is very important to diagnose and predict the fault of switchgear.In this paper，the principle，the application and the limitation of the on-line temperature monitoring technology of the fiber grating and active wireless technology are analyzed and compared.A new type of passive wireless temperature monitoring technology is introduced based on SAW sensor.Application of online monitoring system of this technique can safely，reliably and accurately obtain the real-time temperature information of the switchgear，realizing remote fault warning and monitoring.The application of this technology provides strong support for the safe operation of power grid.

Key words:on-line temperature monitoring technology；fiber grating；active wireless；passive wireless

0 引言

高壓開關柜是一種交流金屬封閉開關成套裝置，廣泛應用于我國10 kV和35 kV電力系統(tǒng)中。承擔著關合、開斷線路電流、故障保護、測量監(jiān)測等重要功能。目前電網(wǎng)中應用最多的為金屬鎧裝移開式戶內安裝開關柜（KYN），具有安全性高、結構緊湊、檢修維護方便等諸多優(yōu)點。但與此同時，開關柜具有全封閉的金屬外殼，長期運行在高電壓、大電流條件下，散熱條件相對較差，也無法通過紅外測溫等有效技術手段直接對柜內設備進行溫度測量及監(jiān)測［1］。所以近年來，系統(tǒng)內變電站已發(fā)生多起因動靜觸頭、出線線纜壓接點等部位過熱造成的火災或開關柜燒損的停電事故，如圖1所示，已經(jīng)嚴重危害電氣設備的可靠運行甚至造成巨大經(jīng)濟損失。因此采用有效技術手段對開關柜內接頭、觸頭等重要載流連接部位實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測是十分必要的，可以及時有效發(fā)現(xiàn)開關柜內設備過熱隱患，對其進行故障診斷及狀態(tài)預判，保障電網(wǎng)可靠供電。

圖1 開關柜故障

1 高壓開關柜溫度在線監(jiān)測技術發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，開關柜在電網(wǎng)中的重要作用和供電可靠性逐年提高，對開關柜進行停電檢修越來越困難，因此對其運行狀況進行狀態(tài)監(jiān)測勢在必行。國內外科研機構及院校對開關柜溫度在線監(jiān)測技術也開展了大量研究。目前采用的開關柜在線測溫技術主要有光纖光柵測溫技術和無線有源測溫技術。

1.1 光纖光柵測溫技術

1978年，第一個光纖布拉格光柵在加拿大渥太華研制成功。其后光纖光柵技術發(fā)展迅猛，先后在通信、傳感器等領域實用化應用取得巨大突破。光纖光柵溫度傳感器技術就是其應用成果之一。其主要原理是利用了光纖光柵的光敏性［2］，光柵的波長

式中：Lb為光柵的Bragg波長；n為芯模有效折射率；l為光柵周期。

當光纖光柵所處環(huán)境的應力、應變、溫度等物理量發(fā)生變化時，光纖的光柵周期及芯模有效折射率均會發(fā)生對應變化，從而導致光柵波長發(fā)生變化。通過測量由環(huán)境溫度引起的光柵波長的變化，并將這種波長的變化轉化為對應的電平，實現(xiàn)了對開關柜內電氣設備觸點、連接溫度的測量。整個測溫系統(tǒng)的框架如圖2所示，最底層為安裝在開關柜內部重要測溫點的光纖光柵傳感器。工作時，解調儀產(chǎn)生窄帶激光通過多路光開關到達開關柜內每個傳感器，若掃描光的波長與光柵中心波長相同此時將發(fā)生發(fā)射，反射光通過耦合器—多路光開關的光路返回解調儀。解調儀通過解調獲得相應溫度信息，最終通過A／D轉換和網(wǎng)絡通信將數(shù)據(jù)上送到上位機。上位機中的監(jiān)測軟件可以實現(xiàn)開關柜溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲、分析、查詢、預警等功能。光纖光柵測溫傳感器具有體積小、結構簡單、抗干擾性強、靈敏度高等優(yōu)點。但由于其應用高分辨率光譜儀及寬帶光源，整套系統(tǒng)造價較高，同時其安裝布線較為復雜，需全部設備停電施工，有時由于光纖本身原因有可能對系統(tǒng)絕緣性能造成影響。

圖2 光纖光柵測溫系統(tǒng)架構

1.2 無線有源測溫技術

開關柜無線有源測溫技術與傳統(tǒng)的測溫技術比較類似［3］，原理較為簡單，即采用傳統(tǒng)的有源溫度傳感器直接采集測點溫度，通過無線發(fā)射模塊與接收端進行數(shù)據(jù)傳輸，并上傳上位機監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)構架如圖3所示。其中溫度傳感器分為熱電偶式或半導體式，均需要提供外部電源供電。目前取電方式為電池取電或感應取電。采用電池取電較為簡單，穩(wěn)定性較高，但需定期停電更換電池。感應取電即采用專用的供能線圈，從設備一次側電流中感應出電壓給傳感器進行供電，但設備一次負荷電流的變化對測溫精度影響較大，設備運行噪音較大?？傮w來講，開關柜無線有源測溫技術由于采用無線方式，安裝方便避免了布線的麻煩，但傳感器的供電及安裝是其主要問題之一。

圖3 無線有源測溫系統(tǒng)架構

2 開關柜無線無源測溫系統(tǒng)

無線無源測溫技術是近年來發(fā)展起來的一種新型溫度檢測技術。解決了傳統(tǒng)的光纖、有源測溫系統(tǒng)在安全性、經(jīng)濟型、可靠性等方面的問題。其最大的兩個特點就是“無線”和“無源”，其核心就是聲表面波（SAW）技術的應用。聲表面波是在1885年英國著名物理學家瑞麗在研究地震波的時候偶然發(fā)現(xiàn)的，此后便進入人們的視線并逐漸應用到通信、軍事等領域。近年來，隨著SAW傳感器在精度、可靠性的不斷提高，逐步應用到電力系統(tǒng)分布式測溫系統(tǒng)中［4］。

2.1 測溫原理

基于SAW技術的測溫傳感器原理如圖4所示。通過采集器向外發(fā)射高頻電磁波。SAW傳感器通過天線接收到外部電磁波會激勵出聲波在壓電晶體上傳播。不同的電磁波及外界條件會激發(fā)出不同的聲表面波。這種聲波就會攜帶溫度信號通過反射柵條返回不同頻率的電磁波，測量溫度值與傳感器的返回頻率關系為

式中：Tc為測量溫度；To為校準溫度；fc為傳感器返回頻率；fo為校準溫度值的頻率值；Kf為溫度頻率常數(shù)。

圖4 SAW溫度傳感器原理

通過返回的電磁波可以解調出測點的溫度信息。這種聲表面波傳感器讀取范圍遠（2～10 m），可應用在金屬和液體表面，適用于高溫、高電壓環(huán)境下，具有多物理量檢測能力如溫度、壓力、加速度等，同時可分布式組網(wǎng)實現(xiàn)多點測量，靈敏度較高。

2.2 系統(tǒng)組成

無線無源測溫系統(tǒng)組成如圖5所示，整個系統(tǒng)采用分層結構［5］。由底層至頂層分別由現(xiàn)場設備層、數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)控應用層、遠程終端層組成?，F(xiàn)場設備層對應智能變電站中的過程層，主要由多個無線無源傳感器組網(wǎng)構成，一個數(shù)據(jù)采集器負責采集多個傳感器的溫度信息采用無線或串口方式上送至數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層對應智能變電站中的間隔層，采集匯總多個數(shù)據(jù)采集器的上送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠方輸入／輸出及智能傳感器的控制、通信。監(jiān)控應用層對應站控層，實現(xiàn)全站無線測溫數(shù)據(jù)的集中采集、監(jiān)控、分析、存儲、預警及專家診斷功能。遠程終端層屬于整套系統(tǒng)的高級應用，可以通過遠程終端如手機、平板電腦等實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)遠程監(jiān)視、告警。

2.3 系統(tǒng)特點

無線無源測溫系統(tǒng)的應用解決了傳統(tǒng)溫度在線監(jiān)測技術的弊端，如布線、高低壓絕緣、傳感器供電等問題，安裝方便易于實現(xiàn)?；诳偩€的通信方式便于進行系統(tǒng)的擴展?？煽啃院头€(wěn)定性較高，可以實現(xiàn)開關柜內重要測溫點溫度的長期在線監(jiān)測及遠程故障預警，為開關柜的潛伏性隱患的提前發(fā)現(xiàn)和可靠運行提供了有力的技術保障。同時基于SAW傳感器的無線無源測溫技術還可應用在電力系統(tǒng)中復雜結構線纜監(jiān)測、電纜火災預防、變壓器過載監(jiān)測、避雷器熔斷監(jiān)測、電纜觸點老化等眾多領域，具有廣泛的應用前景。同時由于此項技術應用時間不長，整套系統(tǒng)的運行穩(wěn)定可靠性有待進一步驗證。下一步該項技術在信號抗干擾能力及傳輸距離等方面有待進一步完善提升。

圖5 無線無源測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)

3 結語

總結了開關柜傳統(tǒng)測溫方式的不足，介紹了一種新型的基于SAW傳感器的無線無源測溫技術。具有安全性高、安裝方便、準確可靠等諸多優(yōu)點。隨著帶電檢測及在線監(jiān)測技術的不斷發(fā)展和進步，不停電檢測必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的停電預試檢修。此項技術的應用對整個電力系統(tǒng)在提高檢修效率、故障預判、狀態(tài)評估等方面起到了積極促進作用，必將筑起電力設備安全運行的堅固防線。下一步該項技術在信號抗干擾能力及傳輸距離等方面將進行進一步完善提升，有廣闊的應用前景。

［1］鄧世杰.中置式開關柜的無線測溫方法［J］.高壓電器，2010，46（11）：99-102.

［2］時斌.光纖傳感器在高壓設備在線測溫系統(tǒng)中的應用［J］.高電壓技術，2007，33（8）：169-173.

［3］孫正來，孫鳴.高壓開關柜溫度在線監(jiān)測技術研究［J］.電力信息化，2008，6（6）：62-66.

［4］徐恭勤，朱文章，閻南生，等.聲表面波溫度傳感器的研究［J］.傳感技術學報，1996，9（2）：29-32.

［5］胡建學，趙俊，何利松，等.基于聲表面波技術的高壓開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.壓電與聲光，2014，36（2）：214-216.

Research on On-line Temperature Monitoring Technology for High Voltage Switchgear

LI Cong1，SUN Yingtao1，LV Xuebin2，WANG Ning1，WANG Siyuan1
（1.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

TM591

A

1007－9904（2017）09－0077－04

2017-05-28

李 琮（1985），男，工程師，從事電氣設備狀態(tài)檢測工作。