智能化变电站10kV高压开关柜无线测温技术分析

智能化变电站10kV高压开关柜无线测温技术分析

詹松青

广东正超电气有限公司 515041

摘要：当前时期，我国智能电网的建设速度在不断加快，智能化变电站数量呈稳定增长态势，其中10kV高压开关柜作为配电系统的核心要素，肩负着电荷控制、电流开断以及电能分配等职能，应用无线测温技术对其进行动态化以及实时化监测，以此保障其处于平稳运行状态下。本文以智能化变电站与高压开关柜概述为切入点，重点分析了智能化变电站10kV高压开关柜无线测温技术应用要点。

关键词：智能化；变电站；10kV；高压开关柜；无线测温技术

前言：10kV高压开关柜运行质量与电力系统的整体安全稳定性有着十分密切的关系，由于其所具有的特殊地位，为了保障智能化变电站能够长时间平稳运行，要特别注重监测10kV高压开关柜，因其出现发热故障的几率较高，则应当通过无线测温技术来持续化监测其运行温度，进而第一时间排除故障隐患问题，防止出现事故停电等不良问题。

一、智能化变电站与高压开关柜概述

（一）智能化变电站

智能化变电站是一种现代化的电力系统，与传统的变电站对比来说，它的操作更加便捷性，当其处于运行状态时，设备参数、内部结构和工作结构都会有所变化，以此实现全面调控及管理整个电力网，响应速度快且灵敏。发生故障问题或突发状况时，可自主分析与诊断内部故障，第一时间采取处理措施，同时保护装置会自动断开以及切断系统，以免继续运行而出现人员伤亡事故。它的又一突出优势在于它可远程监控系统的实时工作状态以及温度变化过程，便于提前规划好事故防范措施。智能化变电站的主要功能模块为站内综合管理、运行监控以及继电保护，具备监控功能，分析主变压器与设备的故障问题，实施停电检修以及向调度中心告警，能够依据电网的实际情况来下达以及切换正确的运维操作指令。智能化变电站如下图所示：

图一 智能化变电站

（二）高压开关柜

高压开关柜是一种电气设备，是电力系统中负责电能接受与分配的重要装置，当其出现异常状况会直接导致设备陷入故障状态或引起停电事故，其故障表现往往为温度的巨大起伏。10kV高压开关柜对测温技术的要求较为特殊化，该设备的结构以及运行状况，对测温技术有着与其他电力设备不同的要求。10kV高压开关柜内部元件设备主要包括高压断路器、电流互感器、电压互感器、接地刀、电缆头以及隔离开关等设备，其内部的空间较为有限，防止设备由于脏污或受潮而导致被污染，要提前预留出充足的爬电距离，同时为了提高系统的安全系数，需对开关柜内部的导电装置做绝缘热缩包装处理，无线温度传感器要使用耐污性、耐高温性能突出的材料来进行必要隔离[1]。总的来说，10kV高压开关柜内部需测温的位置都处于绝缘护套隔离状态下，这一现场结构使得无法应用红外测温方法。再加上10kV高压开关柜的额定电压为10kV,设备运行为带电状态，温度传感器又需安装在被测物体测量点，为高电压设备范畴，信号采集装置往往安装在柜体外部，其外壳和地网保持在稳定连接状态下，也就是说温度传感器与信号采集装置之间存在电压，并且分别隶属于高低压设备，要采取隔离措施，还要保证测温传感装置不会影响设备的安全运行。10kV高压开关柜的结构形式为全密封，只有观察窗为可视状态，其他位置都被金属挡板密封，根据国家标准防护等级要求，柜体防护等级为IP3X,防护超过 2.5 毫米的固体物体，包括大多数工具和粗电线触及柜内带电体，以此保证运行人员人身安全。柜内的设备处于运行状态下时会产生很大电流，最高可达数千安培，而且智能化变电站的电磁环境还较为复杂，电磁容易干扰测温系统，对测温装置的可靠系数产生不良影响。

（三）智能化变电站10kV高压开关柜无线测温的意义

10kV高压开关柜以及变压器是智能化变电站运行的重要装置，由于电网规模的不断扩大化，使得其结构呈现出愈发复杂化的特点，以往所应用的接触器式测温仪表设备由于体积占比大和精度低等弊端已经无法满足当前的温度测量需求，而通过应用无线测温技术，使用智能化的测温仪器设备，能够规模化与快速化地完成现场数据信息采集、处理以及显示等工作，并且还能够伴随着不同的条件状况来响应变电站运行状态以及参数变化，确保电力系统安全稳定。无线测温技术为接触式测温，是由温度传感器、数据处理器以及远端主机的共同作用来完成10kV高压开关柜温度实时监测。
二、智能化变电站10kV高压开关柜无线测温技术应用要点
（一）深入分析智能化变电站测温影响因素

将无线测温技术应用在智能化变电站10kV高压开关柜中，首先应当对测温影响因素进行深入分析，以此作为技术应用的必要依据，提前规避影响因素，主要涉及到主变压器、电缆导体以及母线几方面[2]。其一，主变压器，它所承载的职能为向不同电压等级来传输电能，由于智能化变电站隶属于大型电力系统范畴，所以要由专门的配电室来开展电网升压以及降负荷等工作，通过安设一定数量的多类型测温模块有助于从根本上保障测量精度与可靠系数。其二，电缆导体，此模块主要负责向时效性相对较差的地区通过配电线来将电能输送给用户，并且以通信终端的方式来完成远距离电力信号输送以及信息交换和数据共享，所以对测温同样有着一定要求，在智能化变电站中科学设定测温模块，应用测温技术，主要起到控制和保护作用，尤其是电缆连接方式，测温影响因素还需考虑到耐压性以及抗震性。其三，母线，它是智能化变电站的重要组成部分，当其电流与电压等参数出现变化时都会直接影响变电站测温模块。

（二）充分明确智能化变电站无线测温原理

在智能化变电站10kV高压开关柜中应用无线测温技术，为了能够最大化发挥出技术应用成效，应对无线测温原理充分明确，作为后续技术应用的根本依据。该产品的使用载体是无线温度传感器,它在10kV高压开关柜中的具体运行机理是,采用无线检测温度控制技术来组织构建高温控制系统,首先通过无线温度传感器来进行控制各器件的表面温度,然后通过电磁波向无线温度监测仪发送温度控制信息,然后无线温度监测仪再经过互联网与中央控制电脑连接,由此实现无线检测温度控制运行。无线温度传感器如下图所示：

图二 无线温度传感器

无线测温技术和以往的高压设备温度测量技术对比来说，它有着十分显著的优势，无线温度传感器有着很高的安全系数，因为它属于先进的现代化数字温度传感器，不会受到电场或磁场的干扰而影响模拟信号传输的连续性；它的可靠性非常出色。在数据纠错、自适应调频技术和扩频通信的支持下，无线数据传输的可靠性也在原来的基础上大大提高。此外，无线射频传感技术对振动和外部灰尘具有很强的抵抗力，温度测量精度始终保持在较高水平，智能化水平显著。纵观以往的测温模式来看，往往是以分钟为单位来进行温度采集与传输，传输至监控中心存在一定的滞后性，而通过无线测温技术，若出现突发状况或非常规状况使得温度在短时间内急剧升高至报警阈值，测量温度节点可以第一时间进入响应状态，开始实时持续化以秒为单位来进行温度采集，并且同步传输报警，以此规避温升事故，保障10kV高压开关柜平稳运行；无线温度传感器与其他温度测量设备对比来说，它的体积更小且无接线，能够便利化地安装在电缆接头与开关触头等安装空间相对狭小的位置上，可高质量完成温度测量任务；并且该装置还无需调试，只需电源接通就可使用[3]。
（三）根据具体情况合理应用测温方法

以往智能化变电站10kV高压开关柜主要采取的是在线测温方法，具体包括蜡片测温法与热红外测温技术，这两种测温方法都存在着一定的局限性，蜡片测温法的可靠系数较低，对经验依赖性较重，无法完成在线实时测量与定量测量，而且由于10kV高压开关柜的开关触点以及电缆接头等容易发热的位置因所占位置较小而不能有效测量；尽管热红外测温技术可以确保可靠性和准确性，但它需要昂贵的红外成像设备和紫外成像设备等热敏设备，还需要专业人员定期检查，无法实现在线实时温度监测的目标。此外，10kV高压开关设备的内部部件仍处于高压、强磁场和封闭的工作环境中，使得上述在线测温方法不足以进行温度测量。然而，无线温度传感技术的应用可以从根本上解决这个问题。将无线温度传感器安装在高压柜内侧面与真空断路器动触头处来实施测温，因为10kV高压开关柜真空断路器主要负责一次回路的分合闸，确保高压开关柜保持在稳定的可靠状态下，开展测温工作十分关键，无线测温技术能够实现全方位综合测控，具体安装方式见图三至图五。

图三 温度采集器安装于二次仪表室

   图四 断路器室侧面安装1个测温天线

图五 断路器梅花触头测温点安装位置

（四）科学合理设计技术应用各个单元模块

确保无线测温技术应用在智能化变电站10kV高压开关柜中能够有着突出表现，则应当科学合理地设计每一单元模块。其一，整体设计。应立足于10kV高压开关柜的实际情况，科学选择相应的无线温度传感器，需有着简单的测温电路、测量精度有所保证以及便于扩展。同时对于高低压侧的信号传输方式选择也要慎重，应综合考虑技术标准、抗干扰性以及功耗等多方因素，并且保证高压侧供电方式足够科学合理，供电电源可稳定输出且抗干扰性优越。

其二，硬件设计。无线测温系统要由几大部分所组成，由此保障温度监测信号顺畅无误传输，需提前采取得当的防范措施。首先为蓝牙无线通信模块，蓝牙模块无论是在电路设计还是组织方式上都有着较为显著的优势，当10kV高压开关柜高低压侧在信号传输时，各路需设定2个蓝牙模块。蓝牙协议则要考虑到蓝牙核心协议、蓝牙串口替代协议、蓝牙选用协议以及蓝牙电话控制协议。设计低压侧则要特别考虑到蓝牙模块的即联即用特征，保障低压侧的蓝牙模块可自动化接收高压侧所传输的信号，并且同步传输至数据处理单元。其次为温度检测模块，此模块涉及到的内容较多，要选择使用外部供电且封装结构的无线温度传感器，促使总线能够长时间保持在稳定状态下，在单总线处设定一个上拉式电阻。再次为数据处理控制单元，主要负责接收各种开关模块和处理温度数据。对于低压电源，建议考虑以集成开关电源芯片为中心构建稳压电路，所使用的主要外围组件包括芯片、电感器、电容器和二极管，此种电源供电方案不管是从产品结构安全可靠性还是成本投入来说，都有着最佳表现。对于电源磁芯材料和线圈匝数的选择要依据电源系统的启动电流，选择应用高磁导率的磁性材料以及低磁感应强度的铁芯材料[4]。

其三，软件设计，保障无线测温技术能够发挥出最大化作用，应做好软件设计来配合硬件模块，设计数据读出系统时要严格遵守单总线协议,此系统负责发出报警脉冲、执行操作命令、接受信息和指令,并以此进行温度转换和读出。软件设计中需要继续考虑蓝牙通讯功能,但由于它负责10kV高压开关柜中各器件与主控制界面之间的通讯接口职能,当初始化蓝牙与无线通信主设备后,要在一直保持查询的情况下,所以二者之间的联系要一直保持密切且高质量。对微处理器和应用电路的选型需要结合调试模块,以避免在后续发生不配合现象。其四，系统调试与应用。考虑到智能化变电站10kV高压开关柜的特殊性，促使无线测温系统发挥出显著的优良作用，还需特别调试软硬件等功能模块，遵循调试顺序要求。对于硬件调试的顺序，首先测试裸露的PCB板，然后进行通电操作和通电调试，最后测试主芯片硬件；软件调试包括首先根据控制时序对LCD显示器进行调试，然后根据来自高压侧和高低压侧的数据发送和调试蓝牙通信模块。通过串口助手支持，系统地验证数据正确性，才能够从根本上保障无线测温系统可在10kV高压开关柜发挥出有效作用。在10kV高压开关柜中深化落实无线测温系统，经过三个月的持续数据收集以及评估系统运行效果，证明了该系统的实用性以及有效性十分突出，切实解决了10kV高压开关柜的以往发热问题。

结论：综上所述，将无线测温技术有效应用在智能化变电站10kV高压开关柜中，能够实时准确地掌握高压开关柜的具体状态，以便能够第一时间发现问题以及采取相应的事故防治措施，该技术应用要点围绕在深入分析智能化变电站测温影响因素、充分明确智能化变电站无线测温原理、根据具体情况合理应用测温方法以及科学合理设计技术应用各个单元模块几方面。
参考文献：

[1]桑川川,檀亚凤.基于无线通信的变电站自动测温系统设计[J].电工材料,2023,(03):40-42.

[2]施金晓,吴秦月.考虑温度预警的变配电站无线测温系统研究[J].光源与照明,2023,(02):207-209.

[3]戴丽莉,郭云鹏,张广勇.变电站二次设备屏柜无线测温系统的研制[J].山西电力,2021,(05):30-33.

[4]林洋益,孟晨旭,梁景明,等.变电站KYN型开关柜无源无线在线测温技术研究与应用[J].电工电气,2021,(05):52-55+70.