電氣設(shè)備在線檢測(cè)技術(shù)

呂鯤

摘要：高壓開關(guān)柜的一次高壓部件的熱功率較大容易導(dǎo)致柜內(nèi)電子元件的異常發(fā)熱，為了避免元件過熱導(dǎo)致線路短路，對(duì)柜內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)可以間接了解開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，本文以開關(guān)柜在線溫度檢測(cè)技術(shù)作為研究對(duì)象，分析現(xiàn)有的在線檢測(cè)技術(shù)的工作原理以及各自的缺點(diǎn)，分析新型的聲表面波測(cè)溫技術(shù)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成，應(yīng)用該技術(shù)克服原始在線檢測(cè)技術(shù)的缺陷，以高效安全可靠地方式獲得溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜的狀態(tài)檢測(cè)和故障預(yù)警。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜;在線檢測(cè);聲表面波

1引言

高壓開關(guān)柜作為一種高壓電網(wǎng)傳輸保護(hù)裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)家電力系統(tǒng)中，主要在10kV-36kV的高壓線路中使用，其主要作用有控制傳輸線路的斷開和閉合、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓數(shù)據(jù)、線路故障保護(hù)等等[1]。高壓開關(guān)柜可靠穩(wěn)定地運(yùn)行對(duì)于電力傳輸有著至關(guān)重要的意義，開關(guān)柜以高集成度、檢修安全方便、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)家電網(wǎng)的廣泛使用，開關(guān)柜是一種全封閉的金屬柜結(jié)構(gòu)而且高壓電流容易引發(fā)電路元件過熱，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致開關(guān)柜的散熱能力不足而且無(wú)法采用紅外測(cè)溫等方式對(duì)柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，隨著中國(guó)電網(wǎng)的升級(jí)，傳輸電網(wǎng)電壓的進(jìn)一步提高容易導(dǎo)致經(jīng)常性出現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備過熱進(jìn)而誘發(fā)火災(zāi)或者設(shè)備損壞導(dǎo)致停電等事故[2]，所以對(duì)開關(guān)柜的重要載流部件進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)可以有效降低開關(guān)柜發(fā)生故障的可能性，保證高壓電網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2在線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著中國(guó)社會(huì)城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民對(duì)于用電量的需求也在不斷增大，為了優(yōu)化供電效率和質(zhì)量，配電站需要增加高壓開關(guān)柜的數(shù)量，開關(guān)柜的日常檢修工作要求變得更加嚴(yán)格工作內(nèi)容也更加繁重，為了優(yōu)化開關(guān)柜的日常檢修工作效率和工作質(zhì)量，引入在線檢測(cè)技術(shù)變得尤為重要。當(dāng)前應(yīng)用于開關(guān)柜日常檢測(cè)的技術(shù)有兩種：無(wú)線有源測(cè)溫技術(shù)和光纖光柵測(cè)溫技術(shù)，下面具體分析兩種技術(shù)的工作原理以及存在的缺點(diǎn)。

2.1無(wú)線有源測(cè)溫技術(shù)

無(wú)線有源測(cè)溫技術(shù)的工作原理較為簡(jiǎn)單，將有源測(cè)溫傳感器安裝在需要測(cè)量溫度的設(shè)備上，通過傳感器和無(wú)線傳輸模塊集成的電路向接收器傳遞溫度數(shù)據(jù)，接收器再將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這種測(cè)溫技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是取消了繁雜的檢測(cè)電路布線采用無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)，但是測(cè)溫傳感器的供電形式和安裝位置是該技術(shù)發(fā)展的最大阻礙，常見的測(cè)溫傳感器按照工作原理劃分可以分為半導(dǎo)體式[3]和熱電偶式[4]，這兩種傳感器都需要通過電池供電或者感應(yīng)供電才能正常工作，對(duì)于電池供電雖然可以保證傳感器在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作但是需要長(zhǎng)期定時(shí)更換電池，對(duì)于感應(yīng)供電是通過設(shè)備的一次側(cè)電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為傳感器供電，雖然消除了定期更換電池的缺點(diǎn)但是一次側(cè)電流的變化對(duì)于傳感器溫度測(cè)量的精度影響極大，無(wú)法確保設(shè)備工作的穩(wěn)定性。

2.2光纖光柵測(cè)溫技術(shù)

光纖布拉格光柵[5]在1978年首次研究成果，此后光纖光柵技術(shù)廣泛應(yīng)用于傳感器、通信工程等領(lǐng)域。光纖光柵溫度傳感器利用了光纖光柵的光敏性進(jìn)行溫度檢測(cè)[6]。當(dāng)溫度傳感器所處環(huán)境中的溫度產(chǎn)生變化，光纖的光柵周期以及芯膜有效折射率均會(huì)產(chǎn)生變化從而導(dǎo)致光纖光柵的波長(zhǎng)產(chǎn)生變化，借助相關(guān)的檢測(cè)電路將波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜設(shè)備的溫度檢測(cè)，應(yīng)用于開關(guān)柜在線檢測(cè)的測(cè)溫系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器、耦合器、多光路開關(guān)、解調(diào)儀、上位機(jī)等組成。具體工作流程是通過解調(diào)儀產(chǎn)生窄帶激光，窄帶激光通過多光路開關(guān)分散成波長(zhǎng)相同的激光，最終傳遞到安裝在開關(guān)柜內(nèi)部的溫度傳感器中，當(dāng)設(shè)備溫度變化時(shí)光柵的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)借助耦合器將激光反射到多光路開關(guān)再回到解調(diào)儀，解調(diào)儀通過解調(diào)電路將反射激光轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，解調(diào)儀通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度的在線檢測(cè)。光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)具有高靈敏度、高集成度、強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，但是該系統(tǒng)需要產(chǎn)生窄帶激光，所以系統(tǒng)的總體造價(jià)較高，無(wú)法適用于大范圍的開關(guān)柜溫度檢測(cè)。而且設(shè)備的安裝布線較為復(fù)雜，光纖本身對(duì)于開關(guān)柜設(shè)備的絕緣性保護(hù)也有一定影響。

3開關(guān)柜無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)

無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)是根據(jù)光纖測(cè)溫和有源測(cè)溫提出的全新測(cè)溫技術(shù)，為了解決光纖測(cè)溫和有源測(cè)溫存在的可靠性、安全性、穩(wěn)定性問題，無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)采用不接觸設(shè)備無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備溫度的檢測(cè)，其中最有代表性的技術(shù)之一是聲表面波測(cè)溫技術(shù)，聲表面波是研究人員在分析地震波時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的，之后逐漸發(fā)展應(yīng)用于通信、軍工等領(lǐng)域?，F(xiàn)在已經(jīng)由基于聲表面波技術(shù)的測(cè)溫傳感器應(yīng)用于開關(guān)柜在線檢測(cè)，下面具體分析傳感器的工作原理以及系統(tǒng)組成。

3.1聲表面波測(cè)溫原理

聲表面波傳感器主要由聲波采集器、壓電晶體、測(cè)溫傳感器三個(gè)部分組成，首先聲波采集器通過發(fā)射天線向測(cè)溫傳感器傳遞高頻電磁波信號(hào)，測(cè)溫傳感器會(huì)在壓電晶體上產(chǎn)生激勵(lì)聲波，傳感器所處的外界條件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)聲波，這種激勵(lì)聲波被稱為聲表面波，聲表面波攜帶相關(guān)的物理信息借助壓電晶體上的反射柵條反射電磁波信號(hào)，最后由聲波采集器進(jìn)行采集并做后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

例如應(yīng)用于設(shè)備測(cè)溫，測(cè)溫傳感器的測(cè)量距離可以在2-10m，很好地解決了有源測(cè)溫需要將測(cè)溫傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)部的問題，而且通過外接電源無(wú)線傳輸?shù)姆绞浇鉀Q了傳統(tǒng)在線測(cè)溫供電和電路布置等問題，適用于開關(guān)柜所處的高溫高電壓環(huán)境。除此之外，聲表面波傳感器還可用于壓力速度等常規(guī)物理量的測(cè)量。

3.2無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)

無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)采用分布式分層結(jié)構(gòu)，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)從上到下可以分為四層分別是遠(yuǎn)程終端層、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)層、數(shù)據(jù)采集層、設(shè)備測(cè)量層。遠(yuǎn)程終端層是通過建立系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)將移動(dòng)端設(shè)備例如智能手機(jī)、平板電腦等對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)層進(jìn)行檢查控制，不需要操作人員時(shí)刻觀察監(jiān)測(cè)設(shè)備上數(shù)據(jù)的變化，極大地減輕了操作人員的工作強(qiáng)度;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)層將數(shù)據(jù)采集層獲得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析監(jiān)控和預(yù)警，并且監(jiān)測(cè)設(shè)備加入了專家診斷系統(tǒng)對(duì)于操作人員忽視的故障問題也能及時(shí)提醒，減少發(fā)生事故的可能性;數(shù)據(jù)采集層將設(shè)備測(cè)量層獲得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總上傳，并且將控制信號(hào)傳遞給溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸和對(duì)溫度傳感器的通信;設(shè)備測(cè)量層采用的是分布式組網(wǎng)的形式，在每一個(gè)開關(guān)柜都設(shè)置有相應(yīng)的溫度傳感器，多個(gè)溫度傳感器輸出的信號(hào)由單個(gè)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行收集匯總，數(shù)據(jù)采集器再將這些數(shù)據(jù)通過無(wú)線或許串行端口的形式傳遞到數(shù)據(jù)采集層，這樣就形成了智能變電站控制系統(tǒng)。

無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效解決傳統(tǒng)開關(guān)柜在線測(cè)溫技術(shù)存在的傳感器供電、電路布置、線路絕緣影響等問題。無(wú)線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞皆黾恿讼到y(tǒng)的可擴(kuò)展性，通過對(duì)開關(guān)柜重要載流部件的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控以及可能性故障預(yù)警，對(duì)于排除開關(guān)柜的隱藏故障和降低開關(guān)柜的故障率等方面具有較大的幫助，除此之外，無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)還可以應(yīng)用于變壓器的過載檢測(cè)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)線纜的溫度檢測(cè)、避雷器的熔斷檢測(cè)等等領(lǐng)域，在電網(wǎng)設(shè)備保護(hù)方面具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 高陽(yáng)，谷彩連，劉寶良，吳偉晴.高壓開關(guān)柜局部放電特性分析與抗干擾研究[J].電力電子技術(shù)，2020，54（03）：15-19.

[2] 明波.封閉式高壓柜內(nèi)接頭發(fā)熱事故的分析及預(yù)防[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（23）：146-147.

[3] 程路，石浩辰.半導(dǎo)體溫度傳感器特性研究[J].科技展望，2016，26（24）：218+220.

[4] 丁潤(rùn)琦，甄國(guó)涌，張凱華.溫度傳感器S型熱電偶測(cè)溫電路設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2020，46（01）：99-104.