10kV XGN型开关柜无源无线式在线测温系统设计与实现

黄日泉 李新海 曾令诚 林蔚 侯伟 朱文吉 周恒

（广东电网有限责任公司中山供电局）

0 引言

10kV开关柜在发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制和保护等作用。10kV XGN型开关柜是其中一种，主要由真空断路器、上侧隔离刀闸、下侧隔离刀闸、电流互感器等元器件组成。10kV XGN型开关柜的优点是柜内空间较宽敞，检修容易，成本较低，易于制造，可将设备、母线故障限制在局部范围之内，能避免事故扩大，提高开关柜的运行可靠性，但是隔离刀闸触头容易发热，因为在长期运行过程中可能出现设备老化，紧固螺栓松动，接触面氧化腐蚀等问题，从而导致接触电阻增大而引起接触部位发热，加上很多10kV XGN型开关柜长期重载运行，也会引发高温异常。若发现不及时可烧熔连接部件并引发短路故障，造成开关跳闸，降低了10kV供电可靠性。因此很有必要利用各种技术方法对10kV XGN型开关柜进行温度测量和数据分析，以便及时发现设备隐患，采取预防措施，避免事故发生，从而提高电力系统运行的安全性和可靠性。

以往，变电站10kV XGN型开关柜设备温度监测手段有粘贴试温蜡监视、手持红外测温仪测温、有源无线测温等三种主要方式，其优缺点如下表所示。

表 各种测温手段优缺点

通过上表可以看出以往测温方式存在现场测温工作量大，风险高，需定期维护等问题。本文针对10kV XGN型开关柜发热问题，提出一种基于声表面波温度传感器技术的无源无线式在线温度监测系统，该系统温度传感器采用无线传输信号技术且无需工作电源、具有温度采集精度高免维护的特点，有效解决以往粘贴试温蜡监视、手持红外测温仪测温、有源无线测温等测温方式存在的问题，实现了对10kV XGN型开关柜温度的实时在线监测、诊断、预警功能。

1 10kV XGN型开关柜发热缺陷分析与危害

1.1 10kV XGN型开关柜发热分析

10kV XGN型开关柜内部结构图如图1所示。正常运行中电流经过上侧隔离刀闸、真空断路器、下侧隔离刀闸。而对于一个电气连接点来说，热量计算公式为Q=I2Rt，其中Q为产生的热量，I为通过截面的电流，R为接触电阻，t为通流时间。因此当流过10kV XGN型开关柜的电流固定时，接触电阻越大，其产生的热量越高，温度就越高。运行经验表明，10kV XGN型开关柜发热多集中在隔离刀闸动、静触头接触部位，其发热机理分析如下：

1）10kV XGN型开关柜隔离刀闸结构图如图2所示，其静触头采用片式触指，动触头和静触头座接触仅靠弹簧压紧，长时间运行后，由于弹簧压力减弱，影响到触指的接触效果，接触面积减少，从而造成接触电阻增大，引起发热。

2）10kV XGN型开关柜静触头座和静触头触指采用窝槽方式连接，静触头座与触指靠半球接触面接触，可靠性不高，半球接触面易变成点接触，也会造成接触电阻增大。

3）由于10kV XGN型开关柜隔离刀闸触指仅用一颗螺丝加弹簧压紧，在操作时容易造成位移，经多次操作后难以保证隔离刀闸接触面接触良好；当动静触头压力不够引起两侧接触电阻不相等时，会有部分电流从螺栓处分流。由于螺栓的导电性很差，螺栓与静触头座仅通过弹簧连接，接触电阻较大，因此即使电流很小，螺栓发热也会严重。这一方面加剧了接头处的发热，另一方面螺栓与弹簧在温度较高时机械性能下降，又进一步造成静触头夹紧力下降，使发热现象更严重[1]。

4）动、静触头接触面长时间运行后，经多次操作，动、静触头的镀银层因工艺质量不佳导致磨损或脱落，在接触面上会形成一层氧化膜，也会增大接触电阻，在大电流情况下该处的热功率很大，造成发热严重，进一步又加剧接触面氧化，形成恶性循环。

1.2 10kV XGN型开关柜发热危害

当10kV XGN型开关柜发热温度超过一定范围后，将会使绝缘材料加速老化，绝缘强度降低，设备使用寿命缩短，同时还降低金属导体机械强度，进一步恶化金属导体接触部位的状态，使其接触电阻增大，引起10kV XGN型开关柜温度进一步快速升高。严重时可引发设备熔断、绝缘击穿、短路故障，甚至造成继电保护越级跳闸从而使10kV母线失压的电力安全事件，引发电力系统大面积停电，带来巨大的经济损失，并造成不良的社会影响[2]。

110kV金里变电站10kV XGN型717开关柜内部故障图如图3所示。其故障原因为柜内元件接触不良、长期发热导致7174线路隔离刀闸CT侧A相静触头座的触指压紧弹簧螺栓因发热熔断，共4片触指烧熔掉落，与7174线路隔离刀闸CT侧A相静触头座之间产生单相对地放电，随后迅速发展为三相短路，短路电弧产生的高温使故障立即蔓延至同一室的717开关母线隔离刀闸侧，造成717开关母线隔离刀闸侧三相短路，限时电流速断保护动作跳717开关，#2主变552A后备保护动作跳552A开关，10kV2M母线失压，导致大规模停电，故障损失负荷18MW。鉴于10kV XGN型开关柜发热产生短路故障后果严重，有必要对10kV XGN型开关柜隔离刀闸动触头与静触头接触部位进行温度在线监测、诊断、预警，及时发现设备发热隐患。

10kV XGN型开关柜隔离刀闸实物图如图4所示，可以看出一把隔离刀闸的动触头与静触头接触部位有6个，而10kV XGN型开关柜配置2把隔离刀闸，因此对于一面10kV XGN型开关柜来说动触头与静触头接触部位有12个，需在线监测温度点位为12个。

2 10kV XGN型开关柜无源无线式在线测温系统设计

为了更好地对10kV XGN型开关柜隔离刀闸动、静触头接触部位进行温度在线监测，本文提出的10kV XGN型开关柜无源无线式在线测温系统由温度传感器、温度采集收发器天线、温度采集收发器、站端无源无线测温管理装置、无源无线式在线测温系统主站组成[3]，系统整体结构设计见图5。

温度传感器安装在隔离刀闸静触头上，在线采集测量点温度，温度传感器收到温度采集收发器射频信号后在其表面形成声表面波，该声表面波的频率受到温度的影响会发生变化，温度传感器通过其叉指换能器将带有温度信息的该声表面波转化成射频信号后反射至温度采集收发器，从而完成测温点温度采集。

温度采集收发器安装在10kV XGN型开关柜的二次室内，通过温度采集收发器天线发射无线脉冲信号给温度传感器，并接收反馈回来带有温度信息的射频信号，然后通过485通讯模块向站端无源无线测温管理装置传送10kV XGN型开关柜12个点测温的温度数据。

站端无源无线测温管理装置安装在变电站内，与温度采集收发器通讯，收集全站10kV XGN型开关柜在线测温数据，对本站设备运行温度数据进行管理，具备数据查询功能（实时测温数据、历史测温数据、超温告警数据）、温度巡检功能、报表生成等功能，通过网络将测温数据上传至无源无线式在线测温系统主站。

无源无线式在线测温系统主站安装在变电管理部门，收集并管理所有管辖变电站内站端无源无线测温管理装置数据，该系统主站具备实时测温数据监控、实时通讯、历史测温数据查询、发热告警、报表管理、用户管理、系统设置等功能。该系统主站还可根据设定的温度告警定值将发热缺陷发短信到运行值班手机进行预警。系统具有很好的开放性及可扩展性，能与其他网络互通互联，并根据需要可方便扩展接入测温变电站及测温设备。

3 关键技术

3.1 声表面波技术

温度传感器采用声表面波技术将接收到温度采集收发器的射频信号通过温度传感器的压电材料转化为声表面波，然后将受到温度影响的声表面波转回射频信号反射至温度采集收发器而获取温度数据的测温过程，只涉及电信号与机械波的相互转换，并不需要电池或外部电源供电，这使其与传统测温方式相比有无需电源，维护方便，能耗小，使用寿命长等突出优势。同时温度采集收发器与温度传感器采用无线方式连接，温度信息通过温度采集收发器天线实现无线方式传递，避免了温度采集收发器与高压设备直接连接带来的安全隐患。温度传感器由压电材料构成，能承受高电压、大电流、高温、高电磁辐射等环境的影响，具有其他材料不可比拟的优势，利用声表面波技术，实现了无源无线测温。

3.2 精确测量技术

为了解决在10kV XGN型开关柜内狭窄区域信号传输困难，且存在电磁干扰的问题，该系统采用了433MHz射频信号通讯，能绕开障碍物，使无线信号传输距离不少于2m，满足了在10kV XGN型开关柜有效传输距离的要求，并减少了测量误差。受温度传感器声表面波器件热敏感特性影响，传递的信号反映了温度变化信息，该信号的谐振频率随温度的改变而改变，且在一定的温度范围内呈线性的关系[4]（见图6），因此利用这种线性关系就可以通过获取声表面波的频率信息从而得到精确的测量温度。

3.3 延迟线技术

以往国内声表面波测温技术面临区域内多传感器同时应用识别难，定位难的问题。本系统应用延迟线技术，每个温度传感器有4条反射器，可以形成4位的识别码，收发器每隔12μs。发射一个1μs的询间脉冲，经过传感器反射回一组编码脉冲。若对应位为1，则对应反射器反射回波，若为0则不反射。这样由有无回波脉冲就可以判断出该位为1或者 0。编码为1的返回脉冲比编码为0的返回脉冲大 20dBm左右，通过信号的处理可以得到很低的误码率，可以快速准确地识别目标传感器。最多能够识别16个不同编码传感器，满足了10kV XGN型开关柜12个不同测量布点需求。

3.4 智能诊断技术

10kV XGN型开关柜无源无线式在线测温系统实现了变电设备的温度在线数据集中采集、统一上传。同时在该监测平台上，通过丰富的表格、曲线、柱状图、报表等数据统计形式，对隔离开关动、静触头接触部位的运行发热数据进行实时监测，对同一测温点历史温度数据纵向对比能够有效分析、诊断设备发热趋势；对多个相关测温点数据横向比较，找出异常发热设备，并支持将数据导出和保存功能。通过温度监测数据的纵横对比，及时发现设备发热缺陷，有效保证系统可靠运行。

4 应用实例

4.1 应用情况

本文提出的无源无线式在线测温系统已安装应用于中山市110kV文安变电站（简称“文安站”)。文安站有33面10kV XGN型开关柜共66把隔离刀闸，该站配有无源无线式在线测温系统主站1台，站端无源无线测温管理装置1台，每面10kV XGN型配有温度采集收发器1个，共计33个温度采集收发器，每把隔离刀闸配有温度传感器6个，共计396个温度传感器。

4.2 应用效益

无源无线式在线测温系统的应用实现了对10kV XGN型开关柜内关键部位温度的实时在线监测、诊断、预警功能。经济效益计算如下：

1）该系统投运后，代替了对10kV开关柜的人工测温工作，按平均每站每月3次、每次3人外加一部车辆、每站测温工作时间为0.5天计算，节省了大量的人工成本，并保障了人员的安全。

2）自投运以来，该系统累计发现三项10kV XGN型开关柜隔离刀闸发热缺陷，并及时通过预警短信通知运行人员消缺，避免了三起因隔离刀闸发热处理不及时而造成的开关柜短路爆炸及母线非计划停电的设备事故发生，对提高10kV用户供电可靠性发挥了重要作用。

10kV XGN型开关柜无源无线式在线测温度监测系统项目的实施，不仅简化了原有的变电站设备巡检流程，同时还节省了变电站定期巡检的人力成本。把变电站的设备管理提升到远程监控、远程管理的水平，使设备运行状态数据更加及时、准确。可以有效促进变电站一次开关设备运行状况的科学管理、科学规划，为设备检修提供科学依据，实现由计划检修到状态检修的转变，降低了设备事故风险，减少了停电次数，提高了企业的经济效益和社会效益。

5 结束语

针对10kV XGN型开关柜以往测温存在问题，本文采用无源无线式在线测温系统，解决了传统的温度监测手段不能直观、实时、有效地监测设备发热状况的问题，实现实时在线监测、诊断、预警设备发热隐患的目标，且温度传感器终身免维护，无需停电维护。通过对10kV XGN型开关柜关键部位进行温度在线监测、诊断，可有效预防10kV XGN型开关柜内设备发热导致的设备事故发生，能有效降低一次设备故障率，极大提高运行人员工作效率，提升变电运行部门设备管理水平，提高10kV用户供电可靠性，保障人身设备安全。