高压输电线在线测温装置的研制

李之中,曹翊军,程鸿雨,钱志金,孔　静,潘　琪

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，南京市　211000)



高压输电线在线测温装置的研制

李之中,曹翊军,程鸿雨,钱志金,孔静,潘琪

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，南京市211000)

介绍了一种100 kV以上高压输电线在线测温装置的研制过程。叙述了测温装置的结构形式、温度芯片的选择、无线通信方式的选择、天线罩材料的选择等，总结了高压输电线在线测温装置的结构功能特点。根据实验数据表明该装置测量范围大，测量精度较高，能够实现高压线在线温度的自动测量，技术人员不需要到达远处的现场，就能够及时了解输电线路的运行状况，具有良好的应用前景。

高压输电线，在线测温，测温球

0　前　言

随着国民经济的高速发展，各行各业对电力的需求量越来越大，对供电部门提供电力供应的质量(稳定性、不间断性及伴随服务)要求也越来越高，因此远距离高压输电线路运行的安全性显得尤为重要[1]。目前在用电不断增长的形势下，电力系统长期经受负荷、暴晒、冷热无常等环境刺激，使高压线温度时常发生变化，所以对于高压线的温度在线监测显得十分必要。

目前国外对于高压线温度监测装置的研究开展得较早，并且形成了一些成熟的产品，具体外形结构如图1所示：

图1　国外高压线在线监测装置照片

国内对于高压线温度监测装置的研究起步较晚，产品较少，且有关测量成果的资料和报道也很少，基于以上这些原因，南京南瑞集团公司着手研制了110 kV以上高压输电线无线在线测温装置。

1　高压输电线在线测温装置的主要组成及设计选型思路

1.1测温装置的结构设计

目前国内外高压输电线在线测温装置的主要结构形式有：球状结构、环状结构、夹片结构等。综合考虑电晕、电磁干扰等各项因素对温度测量的影响，最终确定球状结构，球状结构具有如下优点。

(1) 电磁屏蔽性能好

球状结构可以形成密封的金属屏蔽腔体，使测温电路、无线发射电路与高压导线之间形成良好的电磁屏蔽。经过调研表明电流通断、电流突变带来的强电磁干扰是影响测温装置正常测量的主要因素，现场安装的高压输电线在线测温装置故障多发生在停电或送电的瞬间以及带电安装的过程中，因此球状结构的金属密封腔体可以很好地解决这一问题。

(2) 可以避免电晕放电现象

对于110 kV以上的输电线，由于电压较高，在导线表面会产生电晕现象。电晕放电是最常见的气体放电形式，在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场的强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，出现电晕放电现象[2]。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有呲呲声，电晕会引起电晕功率损失、无线电干扰、电视干扰以及噪声干扰等，为了减小或者避免电晕现象，测温装置的外形尽量采用球形结构，避免有锋利的边缘[2]。

(3) 密封防水性能好

球状结构可以形成密封的金属腔体，在上下2个半球配合面间放1个合成橡胶制成的O形密封圈，防止雨水潮气进入，其防水防潮等级达到连接器防水等级标准的最高等级IP68，完全可以在野外潮湿、暴雨等恶劣自然条件下进行正常测量[3]。

1.2测温装置的具体结构

测温装置最终选择了球状结构，以下测温装置简称为测温球，测温球的具体结构如图2所示。

测温球主要由上半球、下半球、夹具和天线罩组成，其中下半球内安装有测温电路板，无线发射装置以及电源等。

1.3温度芯片的选择

输电线测温精度要求不高，只需要达到±1 ℃即可，一些常用的数字温度传感器集成芯片完全可以满足需求。并且其测量范围可以达到-40～150 ℃，满足对于低温和绝大多数高温的测量需求。

图2　高压输电线在线测温装置(测温球)结构示意图

最终选择的温度芯片，分辨率达到0.062 5 ℃,其工作电压2.7～5.5 V，休眠电流为2 μA，测温范围为-55～150 ℃，3.3 V供电时全温范围测量精度可达到±0.7 ℃，在-40～105 ℃测温范围其测量精度达到±0.5 ℃，因此非常适用于高精度温度监测系统中。该温度芯片在整个测温范围无需进行温度校正，其从上电到完成首次转换仅需6 ms。另外，它还提供一个温度中断输出的报警功能，十分适用于低功耗温度越限报警系统中。

1.4无线通信方式的选择

目前常用的无线通信方式主要有WiFi通信方式和Zigbee通信方式，其优缺点对比如表1所示。

表1　WiFi通信方式与Zigbee通信方式比较表

综合考虑到高压线上设备必须经过塔上设备与CMA通信，同时从功耗方面考虑，最终决定使用Zigbee通信方式。

1.5天线罩材料的选择

天线罩是保护天线免受自然环境影响的外壳，是无线通信系统重要的组成部分[6]。天线罩对于其材料有以下3点要求：

(1) 透波性能。天线罩的适宜微波透波材料是波长为1～1 000 mm，即频率在0.3～300 GHz范围内，电磁波的单向透过率大于70%的材料[7]。

(2) 稳定的高温介电性能。天线罩材料要具有低的介电常数(ε<10)和损耗角正切值(tanδ<10-2)。

(3) 低的线胀系数。天线罩材料线膨胀系数过高将直接导致天线罩变形或损坏。

综合以上这些因素，最终选择了一种工程塑料，该材料其透波性能好，介电常数较低(ε=2.35)，可以提供天线罩的宽带透过特性，并且其线胀系数较低，完全可以满足测温球天线罩材料的要求。

1.6供电方式的确定

为了实现微功耗技术，无线模块平时必须掉电，通过内部时钟定时5 min(间隔可设，最小2 min)发送1条数据，在发送数据后等待ACK的过程中实现远程控制命令的执行。

该测温装置最终确定使用大容量锂电池供电，它的电压为3.6 V，年自放电率小，储存寿命达10 a以上，广泛应用于水表，电表和燃气表中。使用该锂电池可以保证该装置至少使用3 a以上无需更换电池。

2　测温球的结构功能特点

2.1测温球的结构特点

图3　测温球温度测量误差分布图

(1) 采用球状金属结构，电磁屏蔽性能好，可以有效地避免电晕现象的产生，同时密封防水性能良好，防潮等级达到IP68。

(2) 体积小、重量轻，该测温球直径为16 cm，整体重量为1.7 kg，远远小于行业标准要求的2.5 kg的重量上限。

2.2测温球的功能特点

(1) 温度测量范围大、精度高，其测量范围可以达到-40～150 ℃，测量精度可达到±0.7 ℃。

(2) 装置的功耗低，一方面该装置采用了低功耗的Zigbee通信方式，另一方面该装置平时处于休眠状态，当需要测量时通过专用Zigbee通信模块，该通信模块收到有效数据后先通过串口发送唤醒数据流等待终端唤醒后再将有效数据发送给监测终端。

3　试验及测试数据

测温球的样机在武汉高电压研究所通过了高压试验，试验内容包括：电晕及无线电干扰试验、电流冲击实验、温升试验及雷电冲击闪络电压试验。温升试验的结果如图3所示。

从图3可以看出，温度测量最大误差Δtmax=0.8 ℃≤1 ℃。实验表明测温球的测量精度较高，抗干扰能力强，装置整体功耗低，达到了设计要求。

4　结　语

高压输电线无线测温装置的研制成功，可以实现对于高压线路的导线温度进行实时测量，并通过远程服务器计算机系统对线路进行监控，掌握最新的实时运行数据，从而使技术人员不需要到达远处的现场，就能够及时了解输电线路的运行状况，有效保证电网运行安全，为最大限度提高现有输电线路输送能力提供了第一手技术资料。该装置的运用，大大提高了供电区域110 kV以上电网的供电可靠性，对电网的“迎峰度夏”工作起到了重要保障作用。

[1]王孝敬.输电线路导线测温与动态增容关键技术研究[J].江西电力，2011(01)，31-34.

[2]邬熊.输变电工程的电磁环境[M].北京：中国电力出版社,2009.

[3]王汝美.实用机械密封技术问答[M].北京：中国石化出版社,2004.

[4]柴远波.短距离无线通信技术及应用[M]. 北京：电子工业出版社,2015.

[5]姜仲. Zigbee技术与实训教程[M].北京：清华大学出版社,2014.

[6]刘丽.天线罩用透波材料[M].北京：冶金工业出版社,2008.

Study and Manufacturing of Online Temperature Measurement Device for HV Transmission Line

LI Zhizhong, CAO Yijun, CHENG Hongyu, QIAN Zhijin, KONG Jin, PAN Qi

(State Grid Electric Power Research Institute/Nanjing NARI Group Corporation, Nanjing211000,China)

The study and manufacturing of one online temperature measurement device for over 100 kV HV transmission line is introduced. structural mode of the temperature measurement device, selection of temperature chip, selection of wireless communication mode and selection of antenna materials, etc are described. Characteristics of the structure of the online temperature measurement for HV transmission line are summarized. Based on the experiment data, the device is proved in terms of large measurement range and higher measurement precision. It can realize the online temperature measurement automatically. Instead of reaching remote site, technician can learn the operation of the transmission line in time and the device is with excellent application prospects. Key words:HV transmission line; online temperature measurement; temperature measurement ball

1006—2610(2016)04—0058—03

2016-02-25

李之中(1973- )，男，湖北省武汉市人，高级工程师，从事安全监测仪器设计、研究.

TM726.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.015