無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)在66 kV變電站的應(yīng)用

裴彥東，于琳琳，趙 睿，曾先楠

(國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001)

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無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)在66 kV變電站的應(yīng)用

裴彥東，于琳琳，趙 睿，曾先楠

(國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001)

在電力系統(tǒng)中，各類設(shè)備的開斷接觸點(diǎn)可能因?yàn)樗蓜?dòng)、老化等原因造成接觸電阻增大，使觸點(diǎn)溫度不斷上升，給電網(wǎng)安全帶來(lái)隱患。無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)采用了聲表面波(SAW)傳感技術(shù)，文中介紹了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、工作原理及在66 kV變電站的應(yīng)用情況，為電力測(cè)溫提供最優(yōu)解決方案。

聲表面波；無(wú)線；無(wú)源

在66 kV變電站中，高壓電氣設(shè)備的觸點(diǎn)由于長(zhǎng)期暴露在空氣中、電弧沖擊、老化等原因可能造成其接觸電阻增大，接觸點(diǎn)溫度升高，給變電站及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患，容易引起起火爆炸、大面積停電、人員傷亡等災(zāi)難事故，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，對(duì)電力設(shè)備的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)排除隱患，得到越來(lái)越多行業(yè)的認(rèn)可和重視。

傳統(tǒng)的紅外、光纖和有源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性等方面存在一定的技術(shù)缺陷。無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)采用了SAW傳感技術(shù)，兼有無(wú)源和無(wú)線兩大特點(diǎn)，具有安全可靠、成本低、實(shí)時(shí)性好、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，為電力測(cè)溫提供了最優(yōu)解決方案[1]。

1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

a. 無(wú)需電池。SAW傳感器采用被動(dòng)感應(yīng)方式，無(wú)需電池驅(qū)動(dòng)，減少了電池更換帶來(lái)的維護(hù)成本，同時(shí)不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。

b. 安全可靠。無(wú)線溫度采樣方式無(wú)需在被測(cè)點(diǎn)或相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)上連線， 傳感器與接收設(shè)備之間無(wú)電氣聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)了高壓隔離，保障設(shè)備安全運(yùn)行。

c. 安裝方便靈活。無(wú)源無(wú)線溫度傳感器體積小，且與讀入器之間數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，安裝方便靈活，不受開關(guān)柜結(jié)構(gòu)和空間影響。

d. 環(huán)境適應(yīng)性好。溫度傳感器通過(guò)匹配軟件校正后已經(jīng)補(bǔ)償了傳感器制作過(guò)程中的偏差。傳感器可在任何工作溫度范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)試，不會(huì)受季節(jié)因素影響。通常情況下，傳感器只在安裝后調(diào)試1次，并保持多年不需再校正。 同時(shí)，灰塵堆積等環(huán)境因素不會(huì)對(duì)SAW傳感器測(cè)溫產(chǎn)生影響。

e. 成本低。SAW 傳感器的價(jià)格比其它傳統(tǒng)測(cè)溫方式低，同時(shí)，無(wú)源無(wú)線的工作方式也使本系統(tǒng)的安裝、維護(hù)成本大大降低。

2 工作原理

系統(tǒng)主要由裝在開關(guān)柜內(nèi)的聲表面波無(wú)線測(cè)溫傳感器和能無(wú)線連接多個(gè)溫度傳感器的讀入器組成。讀入器的天線嵌在開關(guān)柜內(nèi)壁，可以屏蔽外部的電波干擾[2]。其工作過(guò)程是：讀取器發(fā)出電磁掃描信號(hào)，探頭接收到電磁波信號(hào)并由叉指換能器轉(zhuǎn)換成其內(nèi)部工作的聲表面波；聲表面波再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)經(jīng)由天線返回到讀取器；聲表面波的傳播特性與溫度有線性特征關(guān)系，從而使探頭返回的回波信號(hào)具有溫度特征；讀取器提取探頭返回的電磁波信號(hào)特征，就能獲得溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線的溫度監(jiān)測(cè)，如圖1所示。

圖1 無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)測(cè)溫原理

無(wú)源無(wú)線溫度傳感裝置由如下部件構(gòu)成：1組傳感器和1個(gè)讀入器(射頻發(fā)射/接收器)，讀入器與1個(gè)或多個(gè)聲表面波振蕩器的傳感器無(wú)線連接。

2.1 傳感器

傳感器表面波技術(shù)應(yīng)用了晶體材料的物理特性。晶體物理特性的改變通過(guò)壓電感應(yīng)原理被自動(dòng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。傳感器的工作原理是將射頻信號(hào)發(fā)射到壓電材料表面，然后將受到溫度影響的反射波轉(zhuǎn)回電信號(hào)而獲取溫度數(shù)據(jù)[3-4]。表面波技術(shù)是利用傳感器的被動(dòng)工作原理，即在非常規(guī)的運(yùn)行環(huán)境下(高電壓、高電流)實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。

圖2 傳感器表面波溫度采集原理

2.2 讀入器

基于振蕩器頻率變化的無(wú)線傳感器需要1個(gè)合適的讀入器，該系統(tǒng)采用時(shí)域型讀入器，在采樣流和正交基帶上的雙差在相下變頻。雖然頻道外的雜波連續(xù)性較差，但直接下轉(zhuǎn)和單相差轉(zhuǎn)換是可實(shí)現(xiàn)的。離散傅立葉變換(DFT)用來(lái)分析同相和正交樣本，以獲取能量譜密度(PSD)和適用于差值的PSD曲線。雖然這些額外的步驟增加了電子產(chǎn)品的復(fù)雜性和計(jì)算負(fù)擔(dān)，但它克服了單純頻域方法的局限性。

接收器上的頻域飽和效應(yīng)與調(diào)幅(AM)/調(diào)頻(FM)中的效應(yīng)是相同的。如圖3所示，在時(shí)域情形下，飽和度通常使振蕩器變小的速度更慢，更均勻，因此準(zhǔn)確度提高。然而飽和度應(yīng)有所限制，以防止惡化的雜散信號(hào)抑制比。顯示Q值為10 000的振蕩器衰竭曲線。藍(lán)色線代表沒(méi)有飽和的接收信號(hào)，紅色、紫色和黑色代表2倍、5倍和10倍放大的飽和曲線，數(shù)字化波型的衰減時(shí)間分別增加了2.5 ms、6 ms及8.5 ms。

圖3 接收器上的頻域飽和效應(yīng)圖

聲表面波振蕩器的Q值是一個(gè)非常重要的參數(shù)，即卸載Q值和上載Q值。它們由輔時(shí)電阻及天線損耗內(nèi)阻決定。如圖4所示，1個(gè)卸載Q值近12 000的振蕩器需要接收至少上載Q值6 000的信號(hào)強(qiáng)度，Q值近7 500的低Q振蕩器也顯示在此圖上?？梢姡f減的脈沖寬度使接收功率減少了3 dB。

圖4 高Q值的聲表面波反應(yīng)曲線圖

由于脈沖遞減太快，上載Q值曲線處于低位。對(duì)卸載Q值為7 500的振蕩器的分析如圖4所示，接收功率減少了3 dB。當(dāng)然振蕩器必須設(shè)定在測(cè)量感興趣的溫度范圍內(nèi)，頻率對(duì)溫度漂移的限制等因素是基于對(duì)靈敏度、準(zhǔn)確度及行業(yè)規(guī)定的考慮。當(dāng)系統(tǒng)依賴一個(gè)單一的振蕩器頻率以獲取相關(guān)的溫度信息時(shí)，根據(jù)精確度的要求，傳感器必須校準(zhǔn)。在高溫情況下，理想的情況是傳感器具備低老化過(guò)程，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不需校準(zhǔn)而保持準(zhǔn)確性。典型經(jīng)過(guò)特別處理的振蕩器老化曲線如圖5所示。圖5中顯示，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，頻率漂移的幅度較小。使用不同頻率及溫度特性的振蕩器可減小測(cè)量上的誤差。由圖5可知，老化過(guò)程非常平穩(wěn)，這使得溫度測(cè)量的精度非常高。

圖5 3個(gè)溫度段聲表面波傳感器的老化曲線

3 技術(shù)應(yīng)用

無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)在鞍山代東66 kV變電站主要應(yīng)用在高壓開關(guān)柜中。 1臺(tái)開關(guān)柜安裝1組 (上下觸點(diǎn)共6個(gè))無(wú)源無(wú)線溫度傳感器，用來(lái)測(cè)量各觸點(diǎn)溫度，傳感器溫度監(jiān)測(cè)信息的收發(fā)和管理由1個(gè)讀入器統(tǒng)一完成。

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由1個(gè)溫度監(jiān)測(cè)終端統(tǒng)一進(jìn)行本區(qū)域內(nèi)所有開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備觸點(diǎn)包括其它外露設(shè)備觸點(diǎn)在內(nèi)的溫度監(jiān)控信息的采集、存儲(chǔ)和管理。溫度監(jiān)測(cè)終端通過(guò)485數(shù)據(jù)接口按照指定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約傳入電力專用監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線溫度監(jiān)控、分析及預(yù)警，具體監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)監(jiān)控界面

3.2 具體功能

a. 檔案管理：建立各級(jí)開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)及管理網(wǎng)絡(luò)，管理溫度監(jiān)測(cè)相關(guān)的各類設(shè)備檔案。

b.參數(shù)設(shè)置：指定開關(guān)柜或1個(gè)具體的溫度傳感器進(jìn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程下發(fā)，設(shè)置內(nèi)容與溫度監(jiān)測(cè)終端相同。

c.溫度告警方式：在桌面上彈出告警界面，并發(fā)出遙信信號(hào)，發(fā)送短信到相關(guān)運(yùn)行管理或調(diào)控工作人員。

d.溫度監(jiān)控：指定開關(guān)柜或1個(gè)具體的溫度傳感器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程抄讀。

e.歷史溫度查詢：提供時(shí)間段、指定開關(guān)柜等多種查詢條件，對(duì)查詢結(jié)果提供表格和溫度曲線等展現(xiàn)方式。

f.故障診斷：通過(guò)開關(guān)柜溫度與實(shí)時(shí)負(fù)荷對(duì)照等手段，對(duì)溫度異常情況進(jìn)行故障排除。

g.溫度預(yù)測(cè)：根據(jù)已有的溫度數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律，按照既定的預(yù)測(cè)算法為用戶提供溫度預(yù)測(cè)結(jié)果，并將預(yù)測(cè)值與預(yù)警值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)發(fā)送溫度告警信息。

h.統(tǒng)計(jì)報(bào)表：系統(tǒng)自動(dòng)生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，如按變電站、電壓等級(jí)、開關(guān)柜型號(hào)等進(jìn)行溫度異常情況統(tǒng)計(jì)。

i.數(shù)據(jù)發(fā)布：各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表在系統(tǒng)門戶發(fā)布，同時(shí)也提供郵件發(fā)送功能。

3.3 系統(tǒng)組成

無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)組成

3.3.1 溫度傳感器

傳感器具有1根小的接收發(fā)送天線，在測(cè)量過(guò)程中將自身的諧振頻率通過(guò)電磁波傳給采集器，由采集器進(jìn)行計(jì)算得到傳感器接觸點(diǎn)的溫度。傳感器的識(shí)別是通過(guò)頻分多址實(shí)現(xiàn)的，即在(433±6)MHz的帶寬中分出 6個(gè)不同帶寬的頻率段，每個(gè)傳感器占用其中的1個(gè)頻率段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器身份的識(shí)別，由于這個(gè)特點(diǎn)，要求每個(gè)獨(dú)立空間中最多分布6個(gè)傳感器，且頻率帶寬必須互不相同，即傳感器的編號(hào)必須互不相同。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集器

在測(cè)量過(guò)程中需要完成對(duì)傳感器的詢問(wèn)和對(duì)傳感器的溫度進(jìn)行計(jì)算的功能。每個(gè)采集器最多可支持 4根天線，24個(gè)傳感器,每6個(gè)為1組分布在4個(gè)獨(dú)立空間中，并且每組中每個(gè)傳感器所占頻率帶寬必須互不相同，確保占用相同頻率帶寬的傳感器不會(huì)相互干擾。通過(guò)對(duì)不同編號(hào)的傳感器進(jìn)行詢問(wèn)，隱含的指定了相應(yīng)的天線端口，即：天線 1端口對(duì)應(yīng)傳感器編號(hào)為 1—6，天線 2 端口對(duì)應(yīng)傳感器編號(hào)為 7—12，天線 3 端口對(duì)應(yīng)的傳感器編號(hào)為13—18，天線 4 端口對(duì)應(yīng)的傳感器編號(hào)為 19—24，因此指定傳感器編號(hào)就指定了天線端口。

3.3.3 數(shù)據(jù)采集器天線

采集器天線在測(cè)量過(guò)程中需要完成對(duì)傳感器詢問(wèn)電磁波的發(fā)射和返回電磁波的接收。天線在安裝位置上要盡可能考慮到電磁波傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，例如天線上下左右盡可能離金屬遠(yuǎn)一些，天線的周邊盡可能減少障礙物等。采集器天線與傳感器之間的距離最好在2 m以內(nèi)。

3.3.4 監(jiān)控終端

一個(gè)監(jiān)控終端可以連接多個(gè)采集器，終端與采集器通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)連接，采用MODNUS規(guī)約。監(jiān)控終端可以將各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度值及報(bào)警信息上傳給上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控終端也可以提供無(wú)源報(bào)警接點(diǎn)，將該接點(diǎn)接入本地測(cè)控系統(tǒng)，進(jìn)而將故障信號(hào)上傳給上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控終端除了記錄、統(tǒng)計(jì)、上傳數(shù)據(jù)外，還具有本地讀取瀏覽溫度數(shù)據(jù)及故障報(bào)告的功能。此外該終端還具有對(duì)傳感器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)的功能。

溫度監(jiān)測(cè)終端主要完成溫度的本地顯示、告警功能以及提供與監(jiān)控專網(wǎng)的數(shù)據(jù)接口。溫度測(cè)量可按照設(shè)定的頻率自動(dòng)進(jìn)行各傳感器溫度信息的采集，也可響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的實(shí)時(shí)采集命令。溫度顯示是通過(guò)LCD顯示屏顯示各開關(guān)柜各觸點(diǎn)當(dāng)前溫度信息、歷史溫度數(shù)據(jù)、溫度變化曲線。當(dāng)溫度或其上升率超過(guò)上限值時(shí)，通過(guò)遙信、指示燈、短信等方式報(bào)警。參數(shù)設(shè)定功能可對(duì)傳感器溫度校準(zhǔn)、各類預(yù)警值，時(shí)間、溫度采集頻率、傳感器發(fā)射功率、信號(hào)接受門限等進(jìn)行設(shè)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可存儲(chǔ)歷史溫度測(cè)量值，存儲(chǔ)周期可設(shè)定。

通信接口是下行與讀入器之間采用總線或無(wú)線自組網(wǎng)方式，而上行通過(guò)RS485接口接入電力監(jiān)控專網(wǎng)，傳輸溫度監(jiān)控信息。

3.3.5 應(yīng)用軟件

開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件主要功能包括各溫度傳感器設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置、溫度信息的遠(yuǎn)程獲取、綜合查詢分析以及溫度預(yù)測(cè)報(bào)警等。

4 無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)應(yīng)用情況

2014年初，66 kV代東變的1號(hào)主二次開關(guān)柜由于觸頭運(yùn)行發(fā)熱，觸頭盒長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行，加劇老化過(guò)程，絕緣性能下降最終發(fā)生短路事故。事故中整個(gè)主二次開關(guān)柜燒毀，并造成大面積停電。此次改造過(guò)程中，在主二次開關(guān)柜的6個(gè)觸頭內(nèi)安裝了1套無(wú)源無(wú)線熱故障管理系統(tǒng)，目前已運(yùn)行將近1年，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)視6個(gè)觸頭的溫度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)為運(yùn)行人員監(jiān)視、分析開關(guān)柜的運(yùn)行情況提供了可靠依據(jù)。

15臺(tái)開關(guān)柜共計(jì)15套無(wú)源無(wú)線溫度傳感裝置，每套含傳感器 6個(gè)、讀入器1個(gè)。變電站主控室安裝溫度監(jiān)測(cè)終端 1臺(tái)。每個(gè)開關(guān)柜的 6個(gè)傳感器分別安裝于母排三相進(jìn)線和出線的6個(gè)觸點(diǎn)；變電站主控室安裝1臺(tái)溫度監(jiān)測(cè)終端； 監(jiān)測(cè)終端與讀入器通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(通過(guò)變電站的架空電纜層走線)；監(jiān)測(cè)終端將所有開關(guān)柜的溫度信息通過(guò)485接口接入變電站監(jiān)控系統(tǒng)，在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、告警、預(yù)測(cè)等應(yīng)用功能。

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[2] 凌偉平，徐蘊(yùn)鋒.電力電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].東北電力技術(shù)，2012，33(3)：41-43.

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Application of Wireless Passive Thermal Fault Management System in 66 kV Generation Substation

PEI Yandong，YU Linlin，ZHAO Rui，ZENG Xiannan

(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

Because of various equipment open contact is loose or aging, impact causes such as contact resistance increases.It results in the contact temperature rising anddoes harm to power grid security. This paper introduces a kind of passive wireless hot fault management system which adopted the surface acoustic wave (SAW) sensor technology.It shows advantages, operating principles and application statusin 66 kV Generation Substation.It Provides optimal solutions for Electric power measuring temperature.

surface acoustic wave；wireless；passive

TM63;TM76

A

1004-7913(2017)06-0037-04

裴彥東(1983)，男，碩士，工程師，從事繼電保護(hù)工作。

2017-02-05)