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    浅谈10KV高压开关柜无线测温技术分析与应用
    2021年2月19日

     

    安科瑞电气  上海嘉定201801

    摘要:保障电力系统稳定安全运行的一个重要部分为高压开关柜。高压开关柜的运行状态非常关键,因为整体温度太高会逐渐损耗其电气设备。分析10kV高压开关柜无线测温技术,阐述10kV高压开关柜无线测温系统的设计、技术特点及工作原理,总结了无线测温技术在10kV高压开关柜中的应用。

    关键词:电气设备;高压开关柜;无线测温技术

     

    1 10kV高压开关柜无线测温系统的整体设计

    1.1整体设计

    本文选择KYN型开关柜作为研究对象,而K、Y、N分别是铠装式金属封闭开关设备、移动式结构以及户内装置。根据10kV高压开关柜的安全运行需求,10kV高压开关柜的整体设计从体积、绝缘性能、成本以及可靠性等方面给予考虑。针对系统的设计分析,主要由3部分组成,即高压测发射端、低压侧接收端以及上位机数据处理控制。这一设计考虑到KYN型开关柜所具备的6个梅花触头,并提供了蓝牙数据传输通道。由于选取了CT互感器作为高压侧电源,DS18B20温度传感器测量触头温度,系统由此能够准确反映触头温度变化。

    1.2温度传感器的选择

    一般工业场所使用的温度传感器主要有热电偶温度传感器、热电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器以及集成温度传感器等。整合多个传感器可以发现,每一个传感器自身都有明确的温度测量范围。明确的温度测量范围值,可以认知其传感器的适应温度环境的变化程度。结合设计成本和难度,绝大多数10kV高压开关柜无线测温系统都会选择应用DS18B20温度传感器。究其原因,主要是其DS18B20温度传感器的价格比较实惠,同时具备高精度测量、简便的测温路线以及使用拓展性方便的优势。

    1.3高、低压侧信号传输方式选择

    无线信号传输方式的选择一定程度上决定了10kV高压开关柜无线测温系统设计的良好程度。无线信号传输方式有蓝牙技术、红外技术等。但是,由于不同技术的抗干扰性以及功耗有所不同,因此10kV高压开关柜无线测温系统在无线信号传输方式上主要选择蓝牙技术。

    1.4高压侧供电方式选择

    供电电源间的高压侧电路需要满足不间断供电、抗干扰能力强以及高稳定输出等要求。目前的供电方式主要有激光供电、太阳能供电、CT互感器电源供电以及电池供电等。但是,10kV高压开关柜无线测温系统主要应用了CT互感器电源供电方式,因为CT互感器电源供电更能满足高压侧电路多种需求点,同时具备结构安全、应用成熟以及使用环境优良的优势。

     

    2 10kV高压开关柜无线测温传感器的原理

    2.1无线测温原理

    结合不同的温度传感元件进行测温就是无线测温原理,而温度传感元件主要有热敏电阻温度传感器、红外线测温传感器、半导体传感器、声表面温度传感器以及无源无线温度传感器等。

    2.2热敏电阻温度传感器

    针对不断变化的温度,它的阻值也呈现出不同程度的变化,即热敏电阻温度传感器的原理。反过来,可以结合阻值的大小判断温度的高低。它的优势也由此显现,即具备的灵敏度,劣势即热敏电阻值与温度的线性关系变差,进一步导致元件被老化,缩短了热敏电阻温度传感器的使用年限,还会随着长时间的使用使其温度测定度和稳定性变差。

    2.3红外测温度传感器

    黑体辐射定律就是红外测温度传感器应用原理,即任意一个物体只要高于0℃,就会不自觉地发射出红外线。它的特点就是应用非接触式的测量,所以测量探头以及被测物体不需要进行遮挡,也不用做出多种绝缘处理。但是,红外测温度传感器非常容易受到温度、湿度以及辐射等因素的影响,导致测温精度出现偏差。

    2.4半导体传感器

    PN作为一个测温元件,它的原理是随着温度的变化其阻值也在发生变化。通过加强恒定电流的方式,结合运行状态中电流的大小,测定其高压开关柜的温度。虽然这种方式测定的温度精确度高,但是整体的灵敏度不如热敏电阻,因为其反应的时间较长。然而,半导体传感器不易老化,而且整体的使用年限较高,因此具有的可靠性。

    2.5声表面温度传感器

    声表面温度传感器测温方式非常特殊,即为无源测量,可以借助无线传输测量高压开关柜的具体温度。整体优势是体积小,不用结合电源,但是整体的传输距离短,且整个传输过程不能有障碍物,否则易发生位移和震动的情况,非常容易产生声表面相位变化,影响其测温值的准确性。

    2.6无源无线温度传感器

    应用能量收集方式进行能量的获取来满足无源无线温度传感器的能量需求,即可以充分摒弃传统电池和CT取电的方式。整个无源无线温度传感器安全可靠性高。整个能量收集技术没有污染,还有可循环、低能耗的优点。因此,未来的无线测温系统的发展大多会建立在微电子技术与微功耗技术上,并呈现出多种类似于无源无线温度传感器的方式。

     

    3 无线测温系统的技术特点

    3.1安全性

    独立式的电位绝缘安装的无线测温系统,是可以大范围规避其爬电带来的不良影响的系统,还能有效提升电气设备的安全性能。因此,整个无线测温系统的技术呈现为高的安全性。

    3.2准确性

    无线测温系统应用的器件大多数为高精度数字传感器,而且这些器件为进口材料,可以充分肯定测温方式多为接触式。整个传感器的位置非常接近发热点,可以实现快速测定温度点的温度变化的目标,显示出无线测温系统的整体测量精确性。

    3.3灵活性

    由于无线测温器件本身体积较小,所以整个器件安装过程非常便捷,整个组网也非常灵活,即可以应用无线或者有线的网络连线方式。器件的体积小还能方便多个监控点的安装,得到的测量数据。

    3.4易用性

    无线测温系统的整个操作平台主要是应用模块化设计,因此会更加便捷性地链接其网络,进而得到自动化控制系统,且整体的使用性能也更加方便。

    3.5功耗低

    低功耗的设计理念应用于无线测温,可以达成正常测温的目的,同时提升无线测温传感器的使用年限。

     

    4 10kV高压开关柜无线测温技术的应用

          现阶段,我国多个企业公司的科研院校以及部门都已经研制出多个不同类型的10kV高压开关柜无线温度在线检测测量系统。比如,某一公司早已研制出一种特殊装置,从正常层面上认知其装置是一种非接触型温度监测系统,主要的监测功能是进行配电开关柜中一个特定部位温度连续性的监控,且这个监测部位是整个10kV高压开关柜的关键部位。监测其部位的目的是得到精确度高的运行工作状态以及温度,同时其非接触型温度监测系统还监测断路器的工作状态。整个非接触型温度监测系统使用的组成元件有石英晶体声表面波元件。众所周知,石英晶体声表面波元件应用到10kV高压开关柜无线测温技术中,主要作为温度敏感元件。该温度敏感元件会直接粘贴在待测的位置点。由温度敏感元件组成的10kV高压开关柜会组成振荡回路输出与温度有关的频率信号。10kV高压开关柜无线测温技术应用其中,能充分满足系统并发挥其自身的数字化特点,进一步抑制强电场的干扰性,达到过热警报的目的。此外,监控设备还可以借助微机联网方式,得到全面的集中式监测。

         实际应用到10kV高压开关柜中的无线测温系统的优势非常明显,即性能可靠、结构简单、体积小、便捷安装和操作。因此,多数10kV高压开关柜都会应用无线测温系统进行相应的测温。同时,整个无线测温系统的价格并不高,是人们可接受的系统价格范围。小巧结构设计的无线测温模块便于变动其开关柜,即进行开关柜配套时,即使原柜结构没有发生变动,也能进行快速安装工作。只要对应开关柜配件,再打上相应的安装孔,就能实现快速安装。整个安装过程不会影响原有的开关柜的无线测温系统性能,尤其是针对开关柜的绝缘性能,安装过程中绝缘性能非常好。智能电网的安全生产是一个庞大且繁杂的系统工程,经过不断发展系统工程,明确系统工程作为电力公司以及全社会改革与创新的前提,能不断推动我国智能电网的发展进程。国家早在2006年就发布了多个系统电力设备安全使用的重要文件,明确认知其国家优先发展以及实施的主体是智能电网安全保障。我国当前处于经济发展的增长时期,国家电网的电力供电量已经不能满足居民的日常生活和社会生产需求。因此,国家加大电网的供电量,但这样会导致电网电器,设备出现隐患,尤其是对于智能电网末端的10kV高压开关柜。因此,只有确保高压开关柜的安全,才能进一步促进电网温度监测效果。

     

    5 安科瑞Acrel-2000T无线测温监控系统及在线测温产品介绍

    5.1系统介绍

          Acrel-2000T无线测温监控系统,是我司根据电力设备安全性的要求,总结国内外的研究和生产的先进经验,专门研制出的新一代无线测温监控系统。本系统具有超温告警等功能,可以帮助值班人员尽早发现问题,消除隐患,确保电力系统的安全运行。为电力设备的安全、经济、可靠运行提供了全新的解决方案。

    5.2结构图

    5.3主要功能

    数据采集与处理(模拟量、开关量、电度、SOE、定值)

    控制操作(断路器、隔离开关、分接头、复归)

    报警及处理功能(设备状态异常或故障、测量值越限,声音、颜色、闪烁)

    事件顺序记录SOE(分合闸记录、保护及自动装置的动作顺序记录)

    远动功能(为调度中心提供相关运行数据和设备状态)

    时钟同步(北斗GPS纳秒级,满足间隔层子系统标准时钟误差不大于1ms)

    人机联系与运行管理(控制、查看、数据库定义修改、报警确认、二次开发、事故记录检索、在线设备管理)

    与其他设备接口(微机保护、电力仪表、直流屏、故障录波仪、模拟屏、调度)

    5.4软件功能

     

    5.5测温产品介绍

    温度传感器

    a.电池供电型无线温度传感器

    安装于发热部位,采集温度量并通过无线方式传输的传感器。

    目前安科瑞无线温度传感器:

    名称

    外形

    参数说明

    安装方式

    ATE100M

    32.4*32.4*16mm(长*宽*高);-50℃~+125℃,精度±1℃,电池供电,寿命≥5年;470MHz,空旷距离150米。

    磁吸固定

    ATE100

    62.4*32.4*16mm,φ13.5mm(长*宽*高,孔径);-50℃~+125℃,精度±1℃,电池供电,寿命≥5年;470MHz,空旷距离150米。

    螺栓固定

    ATE200

    35*35*17mm,L=330mm(长*宽*高,表带);-50℃~+125℃,精度±1℃,电池供电,寿命≥5年;470MHz,空旷距离150米。

    表带捆绑

    ATE100P

    62.4*32.4*16mm,φ13.5mm(长*宽*高,孔径);-50℃~+150℃,精度±0.5℃,电池供电,寿命≥5年;470MHz,空旷距离150米;防护等级IP68。

    户外螺栓固定

    ATE200P

    35*35*17mm,L=330mm(长*宽*高,表带);-50℃~+150℃,精度±0.5℃,电池供电,寿命≥5年;470MHz,空旷距离150米;防护等级IP68。

    户外表带捆绑

     

    b.CT感应取电无线温度传感器

    安装于断路器触头、母排、电缆搭接点等大电流处,采集温度量并通过无线方式传输的传感器。

    目前无线温度传感器:

    名称

    外形

    参数说明

    安装方式

    ATE400

    25.82*20.42*12.8mm(长*宽*高);-50℃~+125℃,精度±1℃,CT感应取电,启动电流≥5A;470MHz,空旷距离150米。

    扎带固定,合金片取电

     

    接收/显示单元

    a.接收单元

    名称

    外形

    参数说明

    安装方式

    ATC450-C

    65*45*28mm(长*宽*高);DC24V供电;一路上行RS485接口,可接收60个ATE100/ATE100M/ATE200/ATE400/ATE100P/ATE200P无线温度传感器温度;Modbus协议。

    35mm导轨安装

    螺丝固定

    (φ4,36mm)

    ATC600

    90*90*38mm(长*宽*高);AC/DC85~265V供电;一路上行RS485接口,可接收240个ATE100/ATE100M/ATE200/ATE400/ATE100P/ATE200P无线温度传感器温度;Modbus协议。

    35mm导轨安装

     

    b.显示单元

    名称

    外形

    参数说明

    安装方式

    ARTM-Pn

    面框96*96*17mm,深度65mm;开孔92*92mm;AC85-265V或DC100-300V供电;一路上行RS485接口,Modbus协议;接收60个ATE100/200/300/400配套ATC200/300/450。

    面板开孔,嵌入式安装

     

    ASD300/320

    面框237.5*177.5*15.3mm,深度67mm;开孔220*165mm;AC85-265V或DC100-300V供电;一路上行RS485接口,Modbus协议;接收12个ATE100/200/300/400;配套ATC200/300/450。

    面板开孔,嵌入式安装

     

    ATP007

    ATP010

    面框226.5*163*6mm,深度70mm;开孔215*152mm;DC24V供电;一路上行RS485接口;一路下行RS485接口;接收20个ATC200/1个ATC400/1个ATC450-C。

    面板开孔,嵌入式安装

     

    ARTM-8

    面框96*96*12.5mm,深度70mm,开孔88*88mm;一路上行RS485接口,可接8路Pt100温度传感器;Modbus协议

    面板开孔嵌入

    式安装

    Acrel-2000T/A

    柜体尺寸480*420*200mm;DC220V供电;一路上行RS485接口,一路下行RS485接口,一路以太网口;可接收4个ATC450-C或者1个ATC600。

    壁挂式安装

    Acrel-2000T/B

    柜体尺寸为480*420*200mm;硬件:内存4G,硬盘128G,以太网口;显示器:12寸,分辨率800*600;操作系统:Windows7;数据库系统:MicrosoftSQLServer2008R2;I/O接口:GLAN×2、USB×4、COM×6;可选Web平台/APP服务器

    壁挂式安装

     

    6 结论

    就10kV高压开关柜无线测温技术进行深度分析,结合实际的10kV高压开关柜无线测温技术特点和实际应用发展状况,达成保障智能电网的安全稳定运行,推动10kV高压开关柜无线测温技术的持续发展。

     

    参考文献

    [1] 陈秋佳.高低压成套开关设备智能化控制系统的设计与运用分析[J].科技资讯,2018,16(4):67,69.

    [2]崔金奇.10KV高压开关柜无线测温技术分析.

    [3]安科瑞用户变电站综合自动化与运维解决方案.2020.05月版.

    [4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06月版.

     

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