淺談基于鉑電阻的高壓隔離開關(guān)無源無線測溫系統(tǒng)

摘要：基于感應(yīng)取電和無線通信技術(shù)，結(jié)合隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行在線測溫相關(guān)技術(shù)的理論分析與驗(yàn)證，解決在高電壓強(qiáng)電磁環(huán)境中在線測溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸、傳感器工作能源供給、設(shè)備高可靠性等方面的難題，通過溫升試驗(yàn)，分析隔離開關(guān)不同影響因素作用下的觸頭溫度分布，在試驗(yàn)研究隔離開關(guān)不同觸頭材料和缺陷情況下的回路電阻，以及回路電阻與接觸溫度的對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，研制出相應(yīng)的在線測溫裝置，并在運(yùn)行的戶外高壓隔離開關(guān)上進(jìn)行應(yīng)用。提出適用于隔離開關(guān)的低成本有效率的觸頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，對及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)觸頭的異常發(fā)熱缺陷，對保證設(shè)備安全運(yùn)行、提高供電可靠性具有重要意義。

    1.   高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中裝用量大、應(yīng)用廣泛的高壓開關(guān)設(shè)備，根據(jù)中國電力科學(xué)研究院有限公司統(tǒng)計(jì)的國家電網(wǎng)公司高壓開關(guān)設(shè)備裝用情況，72.5kV及以上電壓等級的高壓隔離開關(guān)裝用量是高壓斷路器裝用量的4倍左右，且價(jià)格相對較低，運(yùn)行環(huán)境為高電壓、大電流、強(qiáng)電磁場，長期暴露于戶外面臨各種惡劣天氣，鑒于以上應(yīng)用需求，本文研究了一種低成本、效率、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性能好的高壓隔離開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線測溫終端、數(shù)據(jù)集中處理器和后臺監(jiān)控中心3部分組成，如圖1所示。

圖1無源無線高壓隔離開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)

       無線測溫裝置的研發(fā)涉及電流互感器(TA)取電裝置的設(shè)計(jì)、鉑(Pt)電阻溫度傳感器溫度信號監(jiān)測、模擬信號采集及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)無線通信采集等各種技術(shù)。為了提高測溫系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用集成芯片，減少分立元器件數(shù)量，對系統(tǒng)的每一部分都要周密考慮、精心設(shè)計(jì)，從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始端到末端逐個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行問題分析，根據(jù)分析結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)給出解決問題的實(shí)用技術(shù)。

   感應(yīng)取電裝置的原理是利用電磁波進(jìn)行能量無線傳遞，并通過控制和調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出；無線發(fā)射電路將溫度數(shù)據(jù)通過433MHz無線方式傳送至數(shù)據(jù)集中處理器，無線通信距離達(dá)300m。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖2無線無源測溫裝置外形

圖3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖

 

       感應(yīng)取電裝置可以根據(jù)高壓導(dǎo)體的電流大小和測溫傳感器所需的功率調(diào)節(jié)工作模式，3種工作模式主要有待機(jī)模式、間斷工作模式、正常工作模式。

       （1）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體的電流非常小，不能提供模塊啟動所需消耗的電能時(shí)，取電裝置會處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓為零，為待機(jī)模式，這種情況下隔離開關(guān)一般為停電狀態(tài)，不需要測溫。

       （2）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體有一定的電流，可以支持模塊啟動，但不足以長期支持測溫傳感器正常工作時(shí)，取電裝置會處于間斷工作狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓值為額定輸出電壓和OV跳躍變化的方波，為間斷工作模式，這種情況下隔離開關(guān)可能處于調(diào)試或者試驗(yàn)狀態(tài)。

       （3）當(dāng)隔離開關(guān)高壓導(dǎo)體的電流足夠大，可以支持測溫傳感器長期工作時(shí)，取電裝置正常輸出測溫傳感器所需的功率，輸出穩(wěn)定的電壓，為正常工作模式，這種情況下隔離開關(guān)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，需實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度。

       文獻(xiàn)顯示，隔離開關(guān)導(dǎo)電回路發(fā)熱部位主要集中在觸頭接觸部位，導(dǎo)致發(fā)熱的原因主要有：（1）觸頭接觸面鍍層脫落，導(dǎo)體腐蝕或表面臟污引起的接觸不良；（2）觸頭材質(zhì)不良，接觸電阻變大，導(dǎo)致觸頭發(fā)熱；（3）合閘不到位，觸頭夾緊力不足，導(dǎo)致觸頭發(fā)熱。

       本文依托GW6-252型隔離開關(guān)（見圖6），根據(jù)隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱原因，人為設(shè)置了3類缺陷，進(jìn)行了不同觸頭材質(zhì)、不同表面臟污程度、不同夾緊力的溫升試驗(yàn)，通過大量實(shí)際測試，驗(yàn)證無源無線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測裝置的各項(xiàng)性能，并得出了不同缺陷情況下隔離開關(guān)溫度變化曲線，如圖7~9所示。

       由圖7可知：在夾緊力為400~600N時(shí)，接觸電阻變化不明顯，從25.8℃變化為26.3℃；夾緊力為200N附近時(shí)，溫升有了一定的提高。夾緊力會影響動靜觸頭接觸面積，而接觸面積變小，使接觸電阻變大，導(dǎo)致溫度微弱的提升。

圖6GW6B-252隔離開關(guān)試驗(yàn)平臺

 

圖7不同夾緊力熱點(diǎn)溫升

圖8不同污穢、不同夾緊力熱點(diǎn)溫升

圖9不同蝕點(diǎn)程度熱點(diǎn)溫升

       從圖8可以明顯看出，相較于表面狀態(tài)正常情況下接觸壓力對溫升的影響，污穢缺陷對熱點(diǎn)溫升有顯著的影響。

        

 

 

4.4系統(tǒng)功能

收發(fā)器選型

測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型

 

      

 

       說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

安裝實(shí)例

就地壁掛式集中顯示方案（適用于改造，不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：

       說明：Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實(shí)現(xiàn)集中顯示，還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(guān)就地顯示裝置實(shí)現(xiàn)集中顯示，同時(shí)還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機(jī)保護(hù)、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。

低壓電氣接點(diǎn)有線測溫、變壓器繞組測溫

a）配置方案

 

       通過將無線測溫終端與感應(yīng)取電裝置安裝在高壓隔離開關(guān)上，由感應(yīng)取電裝置通過電磁互感的方式從高壓隔離開關(guān)上獲取電能，并提供給無線測溫終端，對高壓導(dǎo)體電流變化適應(yīng)能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)無線測溫的無源化，提高了安全性。無線測溫終端內(nèi)的Pt電阻溫度傳感器與高壓隔離開關(guān)直接接觸，對于目前應(yīng)用較多的非接觸、非實(shí)時(shí)監(jiān)測的紅外測溫方式來說，更加有效準(zhǔn)確；相比光纖有線測溫方式，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。通過數(shù)據(jù)集中處理器擴(kuò)大無線測溫終端與后臺監(jiān)控中心的通信范圍，可以容納多臺終端同時(shí)進(jìn)行測溫，實(shí)時(shí)性高。本文的研究成果適用于變電站高壓隔離開關(guān)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，具有精度高、低成本、直觀可靠以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。