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高压电气设备实时在线温度监测技术展望

发布日期:2016-10-9 | 关注:

一、引言

电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环节,对电网电力设备进行安全运营实时监控成为必要。长期电网运行数据表明,电网电气设备故障 大多是由于大电流运行、设备老化、绝缘水平下降等原因导致设备在高温条件下运行,进而引发燃烧,爆炸等严重后果所造成。高压开关柜是输配电重要一次设备, 其安全运行对于电力正常输送非常重要。GB/T11022-2011<高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求>第4.5.2节对各部件有 明确的温升要求,但受制于传统测温方法的局限性,此要求未能全面执行。随着技术的发展,该要求也越来越受到重视,2011年,中国南方电网公司出台指导文 件,公司决定加大开关柜无线测温装置试用力度,在重要变电站开关柜上逐步加装无线测温装置。

高压开关柜是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用的电气产品,高压开关柜工作电压等级在3kV~40.5kV。高 压开关柜为金属封闭开关设备,在正常工作时,不允许打开金属封闭门,所有电气连接点均位于高压开关柜中。由于开关柜内部工作电压高,且正常使用中不能随意 断电,所以安装于高压开关柜内部的测温系统,需要更高的电气绝缘性,日常使用中的应减少维护量。

因此,高压开关柜加装安全、实时、少维护、全方位测温系统既是设备自身标准,也是符合实际用户需求,同时,也是智能电网发展的必然要求!

二、电气设备测温技术比较

目前,用于电气设备的测温技术主要有以下方法:红外测温技术、光纤传感测温技术、有源无线测温技术、无源无线测温技术。

(1)红外测温技术

红外线测温技术是通过吸收红外线辐射能量,测量出设备表面的温度及温度场的分布,从而判断设备的发热情况。该方法只可测量在传感器直视范围内的测量点温度,无法适用于针对开关柜内部的断路器触头温升的测量。

(2)光纤传感测温技术

光纤传感测温技术是依据光纤的光时域反射(OTDR)原理以及光纤的后向喇曼散射(Raman scattering)温度效应。该技术组成的元件具有 结构简单、耐腐蚀、小巧、测量灵敏度高等特点,而且不受电磁干扰影响,但开关柜内安装不易,装置成本较贵,经济性差。同时,通过光纤隔离存在着沿面放电问 题,需要有较长的沿面爬电距离。

(3)有源无线测温技术

有源无线测温技术的原理是通过单片带微处理器的传感器将被测设备温度信号转换成数字信号,再通过无线发射模块传递至接收器,接收器处理后将采集到的温度 信息上传到后台显示系统,该方法也是目前高压开关柜实时测温的主要方法。该技术结构简单、小巧,可安装于任何位置,但该技术必须采用电池供电或CT取电, 无法做到高低压分离。电池供电方式需要定期更换电池,并且电池自身存在爆炸风险,维护量大;CT取电对电流大小有要求,电流波动大对测量精度影响较 大,CT取电方式存在安装难度大的缺点。

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(4)无源无线测温技术

无源无线测温技术主要是利用了声表面波(SAW,Surface Acoustic Wave)技术,具体原理就是将射频信号发射到温度传感器的压电材 料表面,然后将受到温度影响了的反射波再接收回来转换成电信号,从而获取温度数据。该技术利用了晶体材料的物理特性,无需常规供电电路,彻底解决了高低压 分离的难题。该技术具有高低压分离、安装方便、测温时间短、传感器免维护等优点。

三、无源无线测温需要解决的问题

以上对比可以看出,无源无线测温技术应该是高压开关柜测温的最佳选择。国外一些厂家可以生产基于声表面波的温度传感器和温度分析器,但都未在国内进行大规模应用。那么,是什么原因制约着该技术在开关柜测温领域的应用。

首先,该技术是利用了晶体材料的物理特性,无法像有源无线方式对传感器进行地址编码,只能通过对传感器的相应响应中心频率进行区分,这需要对传感器进行分频设计,这对传感器生产工艺有较高要求。另外,还需要防止同频率传感器的相互干扰。

其次,该技术使用的射频信号,高压开关柜接地良好,能够屏蔽外界干扰信号,但是相邻高压开关柜之间通常使用同一根主母排,而射频信号具有趋附效应,传感器发射回来的射频信号会沿着主母排表面传输到其他开关柜内,从而影响测量。

另外,传感器反射信号相比发射信号强度至少小60dB以上,如何防止发射信号对其他温度分析器的干扰也是一个难题,必须做到高速、有效的分时工作。

四、无源无线测温新进展

目前,采用在开关柜主母排加装一种能够吸收射频信号的新型材料,能够有效吸收来自于相邻或相隔开关柜的射频信号。将这种新型材料与陶瓷材料融合在一起所 组成的吸波材料,一方面可以具有与陶瓷材料相近的绝缘性能,另一方面相邻开关柜的射频信号经过该材料后强度衰减一个量级以上,有效克服了相邻或相隔开关柜 之间的射频信号干扰。目前该方案已经实际应用于开关柜中,能够实现多台开关柜全部实现有效无源无线测温。

五、总结

高压开关柜安装测温装置是产品标准,能够满足客户要求,符合智能电网的发展方向,无源无线测温技术是高压开关柜测温最佳选择。无源无线测温系统需要解决 传感器分频、射频信号的屏蔽与吸收、射频信号分时工作等问题。目前采用一种全新的吸波材料能够有效解决多台共母排开关柜间无源无线测温中遇到的干扰问题, 使具有高低压分离、安装方便、测温时间短、传感器免维护等优点的无源无线测温方法得以开关柜中实现实际应用。

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