智能化中壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測

吳偉權(quán)

（長園電力技術(shù)有限公司，廣東 珠海 519085）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，電能的消耗量也日益增多，智能電網(wǎng)的發(fā)展成為國內(nèi)外電網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)，中壓開關(guān)柜智能化是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化的關(guān)鍵點(diǎn)之一。中壓開關(guān)柜是配電網(wǎng)傳輸和控制的主要設(shè)備，提高其智能化水平、實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)行狀態(tài)的自行監(jiān)測和控制對于整個(gè)配電網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高有著重要作用。

1 中壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測發(fā)展概述

中壓開關(guān)柜是指具有較高性能的金屬封閉控制和開關(guān)設(shè)備。中壓開關(guān)柜智能化的發(fā)展分為三個(gè)階段。第一階段是中壓成套開關(guān)設(shè)備的發(fā)展，起源于20世紀(jì)70年代中后期。這個(gè)階段主要為小型化裝置和繼電器型裝置，主要是操作自動(dòng)化階段，通過一些預(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)開關(guān)柜的自動(dòng)化、程序化的操作，確保各運(yùn)行狀態(tài)之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。操作自動(dòng)化的發(fā)展為中壓開關(guān)柜智能化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。第二階段主要在20世紀(jì)80年代后期。這一階段主要以開關(guān)柜的智能監(jiān)控為發(fā)展目標(biāo)，通過對環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、特征參數(shù)及電參數(shù)等各種參數(shù)的處理，逐步實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜自身運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)診斷分析、故障預(yù)警及故障定位等功能。中壓成套開關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)初步進(jìn)入智能化階段，但在智能化分析、判斷和選擇能力方面存在一定缺陷。第三階段的發(fā)展主要在20世紀(jì)80年代末和90年代初，隨著網(wǎng)絡(luò)通信、微電子、抗干擾、計(jì)算機(jī)及電力電子等技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展日益成熟，具有測量、保護(hù)及控制等智能化功能的第三代中壓成套開關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)趨于成熟。我國中壓開關(guān)柜加工技術(shù)起步較晚，隨著工藝的不斷改進(jìn)和自主創(chuàng)新，總體上得到了較快的發(fā)展，但在小型化、模塊化方面仍與世界先進(jìn)水平存在一定差距。隨著信息處理技術(shù)和電力技術(shù)的結(jié)合，在線溫度監(jiān)測產(chǎn)品不斷改進(jìn)和升級(jí)，其實(shí)用性也在逐步發(fā)展和提高。目前，市場上比較普遍應(yīng)用的是智能化中壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)主要有紅外技術(shù)和光纖技術(shù)兩種。

2 紅外在線監(jiān)測技術(shù)

2.1 工作原理及應(yīng)用

紅外在線監(jiān)測主要利用波長在0.76～1 000 m的電磁波。紅外在線監(jiān)測的工作原理是根據(jù)熱輻射能量的大小來判斷其表面溫度，從而確定導(dǎo)體表面的溫度。紅外光輻射測溫分為非接觸式測溫和接觸式測溫，前者工作原理基于紅外輻射，其準(zhǔn)確度受工作波長、距離系數(shù)、區(qū)域范圍及大氣測試環(huán)境等因素的影響[1]，工作難度較大，流程如圖1所示；后者基于熱敏元件工作，采用射頻或紅外進(jìn)行高低電壓的隔離，測溫準(zhǔn)確度較高，缺點(diǎn)是前端電源設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[2]，流程如圖2所示。

圖1 非接觸式測溫裝置監(jiān)測流程

圖2 接觸式測溫裝置監(jiān)測流程

紅外在線監(jiān)測所使用的傳感器芯片工作電壓在2.0～5.0 V，最低測量溫度為-55 ℃，最高為125 ℃，誤差在±3 ℃之間，其靜態(tài)工作電流為45 μA，工作能耗較低，單片機(jī)選用16位的MSP430F123，具有低壓供電、工作電壓范圍大、耗能少及使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。工作時(shí)，如果溫度過高或者相鄰兩次測溫相差較大，單片機(jī)會(huì)經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送紅光，發(fā)送內(nèi)容主要有本次溫度數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)符及故障類型原因；如果溫度正常，單片機(jī)會(huì)隔一定時(shí)間（可以設(shè)定）發(fā)送一次，發(fā)送內(nèi)容為本次溫度數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)符及無故障標(biāo)識(shí)。由于工作時(shí)間較短，MPS430在非工作時(shí)間能耗非常少[3]。

2.2 紅外測溫監(jiān)測存在的問題

工作時(shí)，由計(jì)算機(jī)軟件對電子溫度傳感器進(jìn)行識(shí)別和比較，然后進(jìn)行信息處理，其缺點(diǎn)是傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，維修較為復(fù)雜。開關(guān)柜因絕緣罩、觸頭盒等設(shè)計(jì)容易對紅外光在信息傳播時(shí)造成影響，限制了該項(xiàng)技術(shù)的使用。非接觸式遠(yuǎn)距離測溫方式也可以進(jìn)行溫度信息采集，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，在中壓開關(guān)設(shè)備中應(yīng)用較少。紅外測溫技術(shù)受距離系數(shù)、瞬時(shí)視角、大氣環(huán)境及區(qū)域范圍等因素的影響，難以保證其準(zhǔn)確度。

3 分布式光纖測溫技術(shù)

3.1 工作原理和特點(diǎn)

分布式光纖測溫技術(shù)可用于空間溫度場分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測。（1）工作原理。分布式光纖測溫技術(shù)綜合應(yīng)用了光纖拉曼光譜技術(shù)、光時(shí)域反射技術(shù)、微弱信號(hào)處理技術(shù)、高頻脈沖激光技術(shù)以及光波分復(fù)技術(shù)等，能對較長距離內(nèi)光纖上各點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該技術(shù)通過激光傳播獲取空間信息和溫度分布，工作過程為設(shè)定一定寬度和能量的激光脈沖，利用其在光纖中傳播時(shí)向后散射的光波，其狀態(tài)會(huì)受溫度的影響而改變，通過對散射回來的光波進(jìn)行檢測、復(fù)用，經(jīng)系統(tǒng)處理就可以顯示各段的溫度信息。（2）工作特點(diǎn)。分布式光纖測溫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電氣配電裝置動(dòng)力電纜、母線接頭部位的零距離監(jiān)測，同時(shí)不受電磁干擾因素的干擾，可在高輻射、強(qiáng)腐蝕及強(qiáng)電磁干擾等極端環(huán)境下工作，同時(shí)具備連續(xù)空間測溫的特點(diǎn)。

3.2 分布式光纖系統(tǒng)的布置

3.2.1 測溫點(diǎn)布置

首先，確定開關(guān)柜，在敏感處分布測溫點(diǎn)，主要在母線搭接處、隔離閘接觸處以及電纜接頭處。如果開關(guān)柜測溫點(diǎn)有m處，則共有3m個(gè)監(jiān)測需求。其次，溫度監(jiān)測。根據(jù)分布式光纖測溫技術(shù)自由空間測溫的特點(diǎn)，開關(guān)柜環(huán)境溫度監(jiān)測相對方便，沿著光纖布線的路徑即可。

3.2.2 測溫光纖安裝

測溫光纖不僅能傳遞信號(hào)，而且是溫度傳感器，其安裝質(zhì)量對測量結(jié)果有著重要影響，因此其安裝工藝尤為關(guān)鍵。

首先，安裝時(shí)要檢查光纖的外表是否存在斷裂或者損傷的現(xiàn)象，觀察斷頭密封情況，布置時(shí)要盡量保持光纖自然平直，不應(yīng)擠壓、打圈或者扭折等，在其端頭應(yīng)標(biāo)明編號(hào)。其次，安裝過程中要注意設(shè)備重點(diǎn)測溫點(diǎn)，使傳感器表面靠近發(fā)熱金屬面或母線處，然后用緊固件固定，光纖繞制要有一定的厚度，且要避免受損傷或者拉斷，直徑不小于3 cm，傳感器的安裝應(yīng)滿足絕緣距離的要求。再次，光纖因其特殊的材質(zhì)在彎曲敷設(shè)時(shí)圓弧直徑應(yīng)大于3 cm，以免影響測量結(jié)果，其接頭應(yīng)保持潔凈且應(yīng)保持一定的余量，長度在10～30 cm。最后，光纖在布線后應(yīng)插接，且其插接頭的凸起應(yīng)和傳感器接口對應(yīng)，確保對接牢靠[4]。

3.3 功能應(yīng)用

光纖測溫技術(shù)在很大程度上提高了變電站人員的工作效率，主要實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能和中壓開關(guān)柜敏感溫度信息監(jiān)測。首先，根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)的分布式光纖反映的傳感參數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)光纖所處空間位置溫度的變化判斷是否存在火災(zāi)傾向。再次，根據(jù)各敏感點(diǎn)的監(jiān)測溫度可以測量觸頭、電纜接頭及母線搭接處等的溫度。最后，根據(jù)溫度升級(jí)速率提供預(yù)警功能，通常電力系統(tǒng)溫度限值在60～80 ℃。

4 無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 工作原理和特點(diǎn)

無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)是在線監(jiān)測開關(guān)柜高壓電接點(diǎn)溫度，并對高溫過熱情況及時(shí)報(bào)警的信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用的是物理接觸式測溫傳感器，該傳感器的測溫精度高，測溫方式穩(wěn)定。無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)吸收了測溫和無線通信的優(yōu)勢，通過將物理接觸式測溫探頭貼在所需測量溫度的位置，并通過無線傳輸?shù)姆绞綄囟葦?shù)據(jù)傳遞至接收裝置，通過接收裝置顯示溫度，一旦溫度超出預(yù)設(shè)范圍，就會(huì)產(chǎn)生預(yù)警告警反應(yīng)，提醒操作主體及時(shí)消除事故隱患。該系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)、無線測溫等技術(shù)，具有隔離徹底、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)及工作可靠等特點(diǎn)[5]。

在保證開關(guān)柜的原運(yùn)行環(huán)境下，無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備投入少、改動(dòng)少，對于新、舊設(shè)備也可快速改造。無線測溫采用物理接觸式傳感器，精度高，不易誤報(bào)；數(shù)據(jù)傳輸目前可選擇DTU或4G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，方便監(jiān)控[6]。

5 智能化中壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展展望

智能開關(guān)設(shè)備是將信息技術(shù)融入到傳統(tǒng)電氣開關(guān)設(shè)備，以數(shù)字化信息的獲取、處理及利用為基礎(chǔ)，對電氣設(shè)備的性能指標(biāo)、設(shè)備自身的可靠性和安全性進(jìn)行優(yōu)化提升。

目前，智能開關(guān)設(shè)備的研究主要集中在通過電網(wǎng)智能開關(guān)設(shè)備的增加來提升感知、判斷故障及執(zhí)行線路保護(hù)的功能。通過在設(shè)備加裝各類傳感器來主動(dòng)、集中采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息進(jìn)行即時(shí)處理。借助智能化開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備，也可以將采集到的溫度信息通過高速網(wǎng)絡(luò)交互接口傳送到遠(yuǎn)方的控制中心進(jìn)行管理和處理。

基于光纖、光波等智能化中壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的成熟化，中壓開關(guān)設(shè)備中溫度在線監(jiān)測的智能化將是未來研究的新內(nèi)容，即通過高性能、新材料及低污染設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用來打造更加智能化、集約化的中壓開關(guān)設(shè)備，以適應(yīng)智能化發(fā)展的要求。

6 結(jié) 論

智能化中壓開關(guān)設(shè)備是通信、微電子、計(jì)算機(jī)及控制等多種技術(shù)的融合，是目前和未來行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，其性能的提高具有重要的意義。溫度在線監(jiān)測作為中壓開關(guān)柜智能化進(jìn)程的重要組成部分，在開關(guān)設(shè)備中應(yīng)逐步推廣和應(yīng)用。