高压开关柜温度在线监测技术研究

李 琮，孙英涛，吕学宾，王 宁，王思源

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

高压开关柜温度在线监测技术研究

李 琮1，孙英涛1，吕学宾2，王 宁1，王思源1

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

目前高压开关柜在电力系统中已得到广泛应用，因此对开关柜进行故障诊断及状态预判就显得极其重要。对光纤光栅及无线有源两种常用的开关柜在线测温技术的原理、应用及局限性进行分析比对，介绍一种新型的基于SAW传感器的无线无源测温技术。应用该技术组成的在线监测系统可以安全、可靠、准确地获取开关柜实时温度信息，实现远程故障预警及状态监测，为保障电网的安全运行提供有力的技术支撑。

温度在线监测；光纤光栅；无线有源；无线无源

Abstract:At present，high voltage switchgear has been widely used in the power system，so it is very important to diagnose and predict the fault of switchgear.In this paper，the principle，the application and the limitation of the on-line temperature monitoring technology of the fiber grating and active wireless technology are analyzed and compared.A new type of passive wireless temperature monitoring technology is introduced based on SAW sensor.Application of online monitoring system of this technique can safely，reliably and accurately obtain the real-time temperature information of the switchgear，realizing remote fault warning and monitoring.The application of this technology provides strong support for the safe operation of power grid.

Key words:on-line temperature monitoring technology；fiber grating；active wireless；passive wireless

0 引言

高压开关柜是一种交流金属封闭开关成套装置，广泛应用于我国10 kV和35 kV电力系统中。承担着关合、开断线路电流、故障保护、测量监测等重要功能。目前电网中应用最多的为金属铠装移开式户内安装开关柜（KYN），具有安全性高、结构紧凑、检修维护方便等诸多优点。但与此同时，开关柜具有全封闭的金属外壳，长期运行在高电压、大电流条件下，散热条件相对较差，也无法通过红外测温等有效技术手段直接对柜内设备进行温度测量及监测［1］。所以近年来，系统内变电站已发生多起因动静触头、出线线缆压接点等部位过热造成的火灾或开关柜烧损的停电事故，如图1所示，已经严重危害电气设备的可靠运行甚至造成巨大经济损失。因此采用有效技术手段对开关柜内接头、触头等重要载流连接部位实现温度在线监测是十分必要的，可以及时有效发现开关柜内设备过热隐患，对其进行故障诊断及状态预判，保障电网可靠供电。

图1 开关柜故障

1 高压开关柜温度在线监测技术发展现状

近年来，开关柜在电网中的重要作用和供电可靠性逐年提高，对开关柜进行停电检修越来越困难，因此对其运行状况进行状态监测势在必行。国内外科研机构及院校对开关柜温度在线监测技术也开展了大量研究。目前采用的开关柜在线测温技术主要有光纤光栅测温技术和无线有源测温技术。

1.1 光纤光栅测温技术

1978年，第一个光纤布拉格光栅在加拿大渥太华研制成功。其后光纤光栅技术发展迅猛，先后在通信、传感器等领域实用化应用取得巨大突破。光纤光栅温度传感器技术就是其应用成果之一。其主要原理是利用了光纤光栅的光敏性［2］，光栅的波长

式中：Lb为光栅的Bragg波长；n为芯模有效折射率；l为光栅周期。

当光纤光栅所处环境的应力、应变、温度等物理量发生变化时，光纤的光栅周期及芯模有效折射率均会发生对应变化，从而导致光栅波长发生变化。通过测量由环境温度引起的光栅波长的变化，并将这种波长的变化转化为对应的电平，实现了对开关柜内电气设备触点、连接温度的测量。整个测温系统的框架如图2所示，最底层为安装在开关柜内部重要测温点的光纤光栅传感器。工作时，解调仪产生窄带激光通过多路光开关到达开关柜内每个传感器，若扫描光的波长与光栅中心波长相同此时将发生发射，反射光通过耦合器—多路光开关的光路返回解调仪。解调仪通过解调获得相应温度信息，最终通过A／D转换和网络通信将数据上送到上位机。上位机中的监测软件可以实现开关柜温度数据的显示、存储、分析、查询、预警等功能。光纤光栅测温传感器具有体积小、结构简单、抗干扰性强、灵敏度高等优点。但由于其应用高分辨率光谱仪及宽带光源，整套系统造价较高，同时其安装布线较为复杂，需全部设备停电施工，有时由于光纤本身原因有可能对系统绝缘性能造成影响。

图2 光纤光栅测温系统架构

1.2 无线有源测温技术

开关柜无线有源测温技术与传统的测温技术比较类似［3］，原理较为简单，即采用传统的有源温度传感器直接采集测点温度，通过无线发射模块与接收端进行数据传输，并上传上位机监测系统，系统构架如图3所示。其中温度传感器分为热电偶式或半导体式，均需要提供外部电源供电。目前取电方式为电池取电或感应取电。采用电池取电较为简单，稳定性较高，但需定期停电更换电池。感应取电即采用专用的供能线圈，从设备一次侧电流中感应出电压给传感器进行供电，但设备一次负荷电流的变化对测温精度影响较大，设备运行噪音较大。总体来讲，开关柜无线有源测温技术由于采用无线方式，安装方便避免了布线的麻烦，但传感器的供电及安装是其主要问题之一。

图3 无线有源测温系统架构

2 开关柜无线无源测温系统

无线无源测温技术是近年来发展起来的一种新型温度检测技术。解决了传统的光纤、有源测温系统在安全性、经济型、可靠性等方面的问题。其最大的两个特点就是“无线”和“无源”，其核心就是声表面波（SAW）技术的应用。声表面波是在1885年英国著名物理学家瑞丽在研究地震波的时候偶然发现的，此后便进入人们的视线并逐渐应用到通信、军事等领域。近年来，随着SAW传感器在精度、可靠性的不断提高，逐步应用到电力系统分布式测温系统中［4］。

2.1 测温原理

基于SAW技术的测温传感器原理如图4所示。通过采集器向外发射高频电磁波。SAW传感器通过天线接收到外部电磁波会激励出声波在压电晶体上传播。不同的电磁波及外界条件会激发出不同的声表面波。这种声波就会携带温度信号通过反射栅条返回不同频率的电磁波，测量温度值与传感器的返回频率关系为

式中：Tc为测量温度；To为校准温度；fc为传感器返回频率；fo为校准温度值的频率值；Kf为温度频率常数。

图4 SAW温度传感器原理

通过返回的电磁波可以解调出测点的温度信息。这种声表面波传感器读取范围远（2～10 m），可应用在金属和液体表面，适用于高温、高电压环境下，具有多物理量检测能力如温度、压力、加速度等，同时可分布式组网实现多点测量，灵敏度较高。

2.2 系统组成

无线无源测温系统组成如图5所示，整个系统采用分层结构［5］。由底层至顶层分别由现场设备层、数据传输层、监控应用层、远程终端层组成。现场设备层对应智能变电站中的过程层，主要由多个无线无源传感器组网构成，一个数据采集器负责采集多个传感器的温度信息采用无线或串口方式上送至数据传输层。数据传输层对应智能变电站中的间隔层，采集汇总多个数据采集器的上送数据，实现远方输入／输出及智能传感器的控制、通信。监控应用层对应站控层，实现全站无线测温数据的集中采集、监控、分析、存储、预警及专家诊断功能。远程终端层属于整套系统的高级应用，可以通过远程终端如手机、平板电脑等实现系统状态远程监视、告警。

2.3 系统特点

无线无源测温系统的应用解决了传统温度在线监测技术的弊端，如布线、高低压绝缘、传感器供电等问题，安装方便易于实现。基于总线的通信方式便于进行系统的扩展。可靠性和稳定性较高，可以实现开关柜内重要测温点温度的长期在线监测及远程故障预警，为开关柜的潜伏性隐患的提前发现和可靠运行提供了有力的技术保障。同时基于SAW传感器的无线无源测温技术还可应用在电力系统中复杂结构线缆监测、电缆火灾预防、变压器过载监测、避雷器熔断监测、电缆触点老化等众多领域，具有广泛的应用前景。同时由于此项技术应用时间不长，整套系统的运行稳定可靠性有待进一步验证。下一步该项技术在信号抗干扰能力及传输距离等方面有待进一步完善提升。

图5 无线无源测温在线监测系统

3 结语

总结了开关柜传统测温方式的不足，介绍了一种新型的基于SAW传感器的无线无源测温技术。具有安全性高、安装方便、准确可靠等诸多优点。随着带电检测及在线监测技术的不断发展和进步，不停电检测必将代替传统的停电预试检修。此项技术的应用对整个电力系统在提高检修效率、故障预判、状态评估等方面起到了积极促进作用，必将筑起电力设备安全运行的坚固防线。下一步该项技术在信号抗干扰能力及传输距离等方面将进行进一步完善提升，有广阔的应用前景。

［1］邓世杰.中置式开关柜的无线测温方法［J］.高压电器，2010，46（11）：99-102.

［2］时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用［J］.高电压技术，2007，33（8）：169-173.

［3］孙正来，孙鸣.高压开关柜温度在线监测技术研究［J］.电力信息化，2008，6（6）：62-66.

［4］徐恭勤，朱文章，阎南生，等.声表面波温度传感器的研究［J］.传感技术学报，1996，9（2）：29-32.

［5］胡建学，赵俊，何利松，等.基于声表面波技术的高压开关柜温度监测系统［J］.压电与声光，2014，36（2）：214-216.

Research on On-line Temperature Monitoring Technology for High Voltage Switchgear

LI Cong1，SUN Yingtao1，LV Xuebin2，WANG Ning1，WANG Siyuan1
（1.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

TM591

A

1007－9904（2017）09－0077－04

2017-05-28

李 琮（1985），男，工程师，从事电气设备状态检测工作。