隔离开关测温在线监测技术与应用

艾 峤 孙 燕 杨丽敏/国网宁夏电力公司银川供电公司

隔离开关测温在线监测技术与应用

艾 峤 孙 燕 杨丽敏/国网宁夏电力公司银川供电公司

该项目提出一种新的隔离开关温度悬浮测量方案，这种技术方案的主要特点是温度测量装置被悬挂在隔离开关导电臂上接近触头的位置，悬挂点埋设了测温元件，可以直接对触头附近的温度进行测量；整个装置通过感应交变的高压电场来取能，属于自供电系统，无需外加电源；测量结果通过ZigBee无线射频技术发送到变电站的主控室，对于多个测温节点，它们可以组成一个无线网络。这种技术具有明显的创新性，比目前采用太阳能或其它供能方式的温度测量方案具有显著的优势。

测温;电源;无限射频

随着电力系统的发展和智能电网建设的要求，高压输电设备（例如隔离开关）的温度在线监测成为一个越来越重要的课题。由于隔离开关的触头温升严重影响其安全工作性能和寿命，因此对温度进行准确和及时的监测对于提高设备的安全性，预防事故发生具有重要的意义。相比于非接触式红外测温技术，

目前国内外提出的有关高压隔离开关温度在线测量和传输系统的主要技术方案可从温度测量、供能方式和信号传输三个方面概括，本文将主要从温度测量和供能方式两个方面描述。

1、温度测量

对高压隔离开关进行温度测量的方法主要包括接触式和非接触式两种。

接触式测温主要是在隔离开关的导电臂上埋设热电偶或热电阻等测温元件进行温度测量，这种方法的测量准确度高，成本低廉，而且可以实现微功耗测量，但是由于测量装置安装在高压侧，因此如何为其提供工作电源以及如何将测量数据传递到主控室是需要研究的问题。

非接触式测温主要利用红外测温技术，通过红外探头对设备辐射的温度进行测量。采用红外测温，整个测量装置可以放置在低压侧，其工作电源可以通过电压互感器来提供，或者通过电池来供电（电池的更换比较容易）。但是红外测温技术比较复杂，首先不同的被测物体表面材料不同，则其辐射率也不同，因此对温度测量准确度的影响比较大。针对不同型号和不同触头材料的开关，为了保证测量的准确度，红外传感器都需要进行繁琐的标定工作。【1】另外，红外传感器与被测物体之间的安装距离以及安装角度也都会影响到测量的结果。最后，采用电压互感器供电需要铺设专门的电源线，而电池供电则需要定期维护。这些都会增加这种技术方案的成本，如果温度测量的节点比较多，那么这种技术方案的成本也会比较高。

除此之外，光纤测温技术研究也比较多，光纤是非常好的绝缘介质，同时也是温度传感元件，因此利用光纤对温度进行传感，而在低压侧进行温度测量是这种方案最重要的特点。【2】不过，光纤测温的成本比较高，特别是如果距离比较远，并且测温点比较多，那么造价相当昂贵。

2、供能方式

如果采用接触式测量方案，隔离开关温度在线测量装置需要安装在高压侧，因此如何提供装置的工作电源是一个核心问题，现有的主要技术方案包括：

2.1 、电流线圈取能

这种方案的主要原理是在输电线上套装一个电流线圈，通过线圈互感和输电线中的电流来取能。由于负载变化，流过电流线圈电流也会随之变化，当负载较重时，供能充足，当负载不足时，供能又面临不足。

电流线圈取能方式还需面对其他问题，当负载过重时，电流过大，测温系统也不能够正常工作，需要采用限制电流传输的方法，电流线圈取能方式还要能够承受系统短路电路的冲击，电流线圈体积较大，安装也颇为复杂。

采用电流线圈取能方式及增加了成本，也加大了技术难度。

2.2 太阳能与风能

这种方案目前研究比较多，主要原理是通过太阳能电池板来提供能量，这种技术往往配合储能电池一起使用，以便应付夜晚供能不足的问题。太阳能电池供电方案的主要缺点是成本较高，体积大，另外用于储能的电池寿命有限。.还有些方案中也提出采用小风机来提供能量或者采用太阳能和小风机复合供能的方式，不过小风机的可靠性较差，特别是强风情况下容易损坏，因此使用不多。

2.3 电场感应供能

图1 采用放电方式的感应法取能原理图

电场感应供能的基本原理是利用高压传输线的空间位移电流给一个取能电容充电，然后利用电容放电为温度测量电路和射频收发电路供电。高压传输线的空间位移电流密度取决于电压等级以及距离地面的高度，通常是比较小的。经测试后结果表明，在20000V电压，距离地面2m高的地方，单位面积高压输电线的位移电流密度大约为0.14uA/cm2。为了能够提供温度测量和射频收发电路一次工作的功率消耗以及保证最低工作时间（大约4秒），需要较大的电容器（至少1100uF以上）来实现储能（储能电压需要超过35V）。如果位移电流的幅度过低，则会造成较长的充电时间，此时，充电控制电路的泄露电流的影响就不容忽视，因此整个感应法取能的主要技术瓶颈在于如何提高充电速率效率以及降低充电控制电路的泄露。为此，本项目提出的主要解决方案如图1。

由于电容的储能与电压平方成正比，因此提高充电电压会使电容的储能大大增加（例如使一个1uF的电容器充电到800V），但是这么高的电压对于电子设备是无法直接利用的，因此需要通过一个开关和变压器使其向一个大容量储能电容器放电，把电压降下来。变压器有两个重要的作用：一是能够使放电开关处于低电压侧；二是实现放电功率的传递。直接利用高压输电线对地之间的工频交变电场来取能以维持温度悬浮测量系统的间歇式的工作模式具有非常显著的优势。一方面，高压输电线的电压是非常稳定的，不会出现大起大落，所以直接利用电场感应来取能是非常稳定的能量供应方式；另一方面，通过电场感应取能可以采用在隔离开关导电臂上悬挂面积足够大的对地极板来实现（面积的大小取决于输电电压等级以及对地距离），实现成本是比较低。

3、信号传输

信号传输采用无线射频技术，无限射频技术指的是在工业、科学和医用频段（ISM）应用的各种射频收发器模块以及建立于其上的通讯协议。这个频段只要遵守一定的发射功率就可以不需要申请许可证，从而建立起自己专属的通讯网络。项目研究内容的原理简述以及技术应用。

目前在各项试验中验证了这种技术方案与大容量电容直接取能方式相比，可以提高储能效率2-3倍左右。对于变电站隔离开关的温度在线测量问题，宁夏电力公司和西安交通大学联合提出了一种新的接触式技术方案。在这种技术方案中，温度测量装置被悬挂在隔离开关导电臂上接近触头的位置，悬挂点埋设了测温元件，可以直接对触头附近的温度进行测量；整个装置通过感应交变的高压电场来取能，属于自供电系统，无需外加电源；

由于温度不是一个瞬变量，因此对电力设备温升的监测往往具有一定的时间间隔。在这个时间间隔内，测量系统可以处于休眠的状态来节省功耗，同时也可以利用这个时间间隔对测量系统的下一次工作进行储能。如果测量系统对温度的检测以及传输所占用的时间非常短，而两次测量的时间间隔足够长，那么测量系统的平均功率其实是非常小的。【4】所以，电力设备的温度悬浮测量系统需要一个稳定的但是平均功率不大的能量供应，同时供能方式的成本要足够低以降低大量安装这样的设备所带来的开销。目前，设备已经在宁夏电力公司银川供电局兴庆变投入运行。

［1］ 李中祥，宋建成. 高压隔离开关触头温度在线监测系统的研制［J］.高压电器，2009，45（2）：11-14.

［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］ 王妍. ZigBee 无线传感器组网技术及其应用［J］.舰船电子工程，2008，28（10）：32-33.

［4］ 赵标，余俊. 热电偶测温及冷端补偿研究与实现［J］.上海船舶运输科学研究所学报，2013，36（1）：50-53.

艾峤（1987－），男，陕西米脂人，大学本科，从事变电站自动化、检修及仿真领域的研究。