浅谈基于铂电阻的高压隔离开关无源无线测温系统

摘要：基于感应取电和无线通信技术，结合隔离开关的结构、工作原理进行在线测温相关技术的理论分析与验证，解决在高电压强电磁环境中在线测温系统的数据无线传输、传感器工作能源供给、设备高可靠性等方面的难题，通过温升试验，分析隔离开关不同影响因素作用下的触头温度分布，在试验研究隔离开关不同触头材料和缺陷情况下的回路电阻，以及回路电阻与接触温度的对应关系的基础上，研制出相应的在线测温装置，并在运行的户外高压隔离开关上进行应用。提出适用于隔离开关的低成本有效率的触头温度实时监测技术，对及时发现高压隔离开关触头的异常发热缺陷，对保证设备安全运行、提高供电可靠性具有重要意义。

    1.   高压隔离开关是电力系统中装用量大、应用广泛的高压开关设备，根据中国电力科学研究院有限公司统计的国家电网公司高压开关设备装用情况，72.5kV及以上电压等级的高压隔离开关装用量是高压断路器装用量的4倍左右，且价格相对较低，运行环境为高电压、大电流、强电磁场，长期暴露于户外面临各种恶劣天气，鉴于以上应用需求，本文研究了一种低成本、效率、抗干扰能力强、环境适应性能好的高压隔离开关温度监测系统。该系统由无线测温终端、数据集中处理器和后台监控中心3部分组成，如图1所示。

图1无源无线高压隔离开关温度监测系统

       无线测温装置的研发涉及电流互感器(TA)取电装置的设计、铂(Pt)电阻温度传感器温度信号监测、模拟信号采集及数据处理、数据无线通信采集等各种技术。为了提高测温系统的环境适应性和运行可靠性，项目设计时尽量采用集成芯片，减少分立元器件数量，对系统的每一部分都要周密考虑、精心设计，从数据采集系统始端到末端逐个环节进行问题分析，根据分析结果以及经验给出解决问题的实用技术。

   感应取电装置的原理是利用电磁波进行能量无线传递，并通过控制和调理电路实现稳定电压输出；无线发射电路将温度数据通过433MHz无线方式传送至数据集中处理器，无线通信距离达300m。系统总体方案设计框图如图3所示。

图2无线无源测温装置外形

图3系统总体方案设计框图

 

       感应取电装置可以根据高压导体的电流大小和测温传感器所需的功率调节工作模式，3种工作模式主要有待机模式、间断工作模式、正常工作模式。

       （1）当隔离开关高压导体的电流非常小，不能提供模块启动所需消耗的电能时，取电装置会处于待机状态，此时输出电压为零，为待机模式，这种情况下隔离开关一般为停电状态，不需要测温。

       （2）当隔离开关高压导体有一定的电流，可以支持模块启动，但不足以长期支持测温传感器正常工作时，取电装置会处于间断工作状态，此时输出电压值为额定输出电压和OV跳跃变化的方波，为间断工作模式，这种情况下隔离开关可能处于调试或者试验状态。

       （3）当隔离开关高压导体的电流足够大，可以支持测温传感器长期工作时，取电装置正常输出测温传感器所需的功率，输出稳定的电压，为正常工作模式，这种情况下隔离开关处于正常运行状态，需实时监测温度。

       文献显示，隔离开关导电回路发热部位主要集中在触头接触部位，导致发热的原因主要有：（1）触头接触面镀层脱落，导体腐蚀或表面脏污引起的接触不良；（2）触头材质不良，接触电阻变大，导致触头发热；（3）合闸不到位，触头夹紧力不足，导致触头发热。

       本文依托GW6-252型隔离开关（见图6），根据隔离开关触头发热原因，人为设置了3类缺陷，进行了不同触头材质、不同表面脏污程度、不同夹紧力的温升试验，通过大量实际测试，验证无源无线实时温度监测装置的各项性能，并得出了不同缺陷情况下隔离开关温度变化曲线，如图7~9所示。

       由图7可知：在夹紧力为400~600N时，接触电阻变化不明显，从25.8℃变化为26.3℃；夹紧力为200N附近时，温升有了一定的提高。夹紧力会影响动静触头接触面积，而接触面积变小，使接触电阻变大，导致温度微弱的提升。

图6GW6B-252隔离开关试验平台

 

图7不同夹紧力热点温升

图8不同污秽、不同夹紧力热点温升

图9不同蚀点程度热点温升

       从图8可以明显看出，相较于表面状态正常情况下接触压力对温升的影响，污秽缺陷对热点温升有显著的影响。

        

 

 

4.4系统功能

收发器选型

测温通讯终端（温度显示仪）选型

 

      

 

       说明：触摸屏通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示，可接收240只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果现场不需要就地显示，可以直接通过ATC的RS485接口，把数据传送到值班室的远程温度监控系统。

安装实例

就地壁挂式集中显示方案（适用于改造，不方便在柜子上加装显示屏的现场）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中显示：

       说明：Acrel-2000T/B不仅可以通过RS485连接多种ATC收发器接收所有型号传感器实现集中显示，还可以通讯连接配电室内无线测温相关就地显示装置实现集中显示，同时还可以连接配电室内智能操控、微机保护、电力仪表等电力监控设备进行监测。

低压电气接点有线测温、变压器绕组测温

a）配置方案

 

       通过将无线测温终端与感应取电装置安装在高压隔离开关上，由感应取电装置通过电磁互感的方式从高压隔离开关上获取电能，并提供给无线测温终端，对高压导体电流变化适应能力强，实现无线测温的无源化，提高了安全性。无线测温终端内的Pt电阻温度传感器与高压隔离开关直接接触，对于目前应用较多的非接触、非实时监测的红外测温方式来说，更加有效准确；相比光纤有线测温方式，环境适应性更强。通过数据集中处理器扩大无线测温终端与后台监控中心的通信范围，可以容纳多台终端同时进行测温，实时性高。本文的研究成果适用于变电站高压隔离开关的实时温度监控，具有精度高、低成本、直观可靠以及安装方便等优点。