基于無源無線傳感器的10kV高壓室測溫方案研究

李明 賴永杰

（廣東電網有限責任公司茂名電白供電局）

0 引言

在電力系統中，10kV高壓室作為重要的基礎設施，其安全質量決定著整個配電系統的運行效益，因此10kV高壓室的內部設施、設備的安全監測十分重要。尤其是在溫度監測過程中，要做好開關柜觸頭的逐一測定，有效檢查電纜發熱隱患，早預防、早處理，從而避免由電纜過熱引起的短路或火災，保障10kV高壓室安全、穩定、可靠、高效運行。

1 需求分析

1.1 研究背景

配電運維管理過程中要求：“對額定電壓3kV及以上、頻率50Hz長期工作電器，如斷路器、隔離開關、封閉式組合電器、金屬封閉開關設備、負荷開關等產品，必須進行發熱試驗，以保證長期通過額定工作電流下，電器各部位的溫度不超過標準允許的數值”。

上述過程往往要借助測溫技術實現，應用較多的為示溫貼紙和紅外測溫儀。這兩種方式均為人工巡檢的輔助設備，雖然應用廣泛，但存在不少缺點，如需要人員定期到場檢測、容易造成漏檢或誤檢、無法實現實時監控、容易受環境影響等。同時由于示溫貼紙和紅外測溫儀均是表面性的檢測，無法檢測視線范圍外的電線電纜溫度，不僅可能影響實際數據的準確性，還容易造成安全隱患的遺漏，導致安全事故的發生。

因此，對于10kV高壓室龐大的電線電纜測溫需求，研發一種能適用于其電纜測溫并能在線查看的監控系統成為迫切的需求。

1.2 運行現狀

某水廠1#高爐水處理10kV高壓室中共19面開關柜，其數量龐大、線纜復雜，溫度監測管控工作難度較高。各開關柜的接點溫度監測手段僅局限于對接頭、本體溫度等部位進行人工巡檢，而對開關柜斷路器接點無較好監測手段，造成開關柜固件損壞嚴重，如圖1所示。

圖1 長期高溫造成的固件損壞情況

為解決上述問題，某水廠對1#高爐水處理10kV測溫模式進行調整，采用無線測溫系統方案，利用接觸式無線測溫的監測和分析，捕捉10kV開關柜運行異常，及時發現設備事故的早期征兆并科學處理，其關鍵需求如下：

1）實現全天24h不間斷在線監測，監測數據一越限即聲光報警；

2）逐步替代人工巡檢，節約10kV高壓室運維管控成本；

3）征兆式報警，將事故消滅在萌芽階段，防止事態的升級、惡化；

4）對各節點溫度數據進行存儲，以便隨時查看及后期分析等。

2 測溫方案

2.1 技術對比

文獻資料顯示：10kV高壓室測溫時常采用紅外測溫、CT取電測溫、有源無線測溫和無源無線測溫方式。其中，無源無線測溫過程中采用EH技術取電，可靈活安裝在動觸頭、靜觸頭、母排、電纜進出線及其他潛在發熱點，緊固材料具有耐高溫、防老化、導磁、耐候等特性，適用范圍廣、可靠性能高、實用效益強，如表1所示。

表1 無源無線測溫方案的優勢分析

2.2 系統設計

某水廠1#高爐水處理10kV在線測溫監測系統主要采用無源無線測溫方案，其主要由10kV高壓室開關柜溫度在線監測系統及集控中心后臺監測系統組成，并將各子系統數據集成為一個完整的在線監測系統，對高壓室主要設備進行實時在線狀態監測，確保設備安全正常的運行，如圖2所示。

圖2 基于無源無線傳感器的10kV高壓室在線測溫系統

（1）感知層

由無線溫度傳感器組成，分布于各個發熱點，可實時測量其表面溫度，并將溫度數據通過無線方式上傳給接收終端。本設計中采用的基于高壓電場能的能量收集型自供電無線溫度傳感器（SPS061-V2）集無線數字通信技術及低功耗技術、EH技術于一體，可實現免維護、自供電、高精度、電氣隔離、主回路無電流、實時溫度監測，技術參數見表2。

表2 無源無線溫度傳感器的基本參數

（2）網絡層

由SPW2000F無線溫度接收終端組成，在系統中承擔著數據中繼功能，它接收到傳感器的數據之后再通過光纖、485或者無線等方式傳輸給數據后臺。該裝置采用多通信口實現數據中繼功能，支持雙光口、雙無線、雙485、單網口、光纖接入，如圖3所示。

圖3 SPW2000F無線溫度接收終端

（3）應用層

由顯示平臺、移動終端組成。數據到達后臺后，用戶可以通過瀏覽器方式監測現場每個傳感器的實時溫度、歷史曲線，如果出現超溫情況，可以快速定位并及時通知相關人員。本次設計的后臺工控機采用B/S結構，具有獨立的軟件著作權，具有人機界面友好、操作方便、數據全面、功能完善的特點，同時還可實現短信報警和Web訪問功能。

2.3 功能優化

基于無源無線傳感器的10kV高壓室測溫系統中應做好狀態全息感知功能、自動安全預警功能、智能輔助決策功能的設計和優化，形成智能、高效、科學的實時在線監測體系。

（1）狀態全息感知功能

在10kV高壓室開關柜電纜中安裝無源無線溫度傳感器后，可增設電氣量采集傳感器和觸頭壓力傳感器，并配置相同的接收終端，用于電氣量數據采集及綜合對比分析，以便于全面反映10kV高壓室開關柜的運行現狀，實現開關柜安全狀態的全息感知。

（2）自動安全預警功能

可根據10kV高壓室開關柜的安全技術標準及常規運行狀態，設置合理的溫度閾值。同時，還可在無線測溫系統中的邊緣計算網關內配置溫度越限、溫度突變、溫度漸變等識別模塊，精準反映10kV高壓室開關柜溫度異常情況，進行對應聲光告警，以便于人員能夠高效檢修、科學處置。

（3）智能輔助決策功能

要在配網運行中的SCDAD數據平臺基礎上引入在線測溫系統，由云平臺與在線測溫網絡中的數據共享、數據交互，快速監測10kV高壓室開關柜溫度異常信息，并快速響應，生成故障處理、運行調整、負荷管理等多類型、多功能輔助決策，以保證10kV高壓室開關柜安全、穩定、高效運行。

3 安裝應用

某水廠1#高爐水處理10kV在線測溫監測項目包括1個高壓室，共計19面開關柜。在安裝過程中應按照順序在開關柜、高壓室和主控室分別安裝測溫傳感器、測溫終端及后臺監控系統，并進行質量檢驗和性能測試。

3.1 測溫傳感器安裝

某水廠1#高爐水處理在線測溫系統安裝過程中在10kV開關柜安裝162只SPS061-V2測溫傳感器，其安裝分布如下：

1）18面開關柜。采用9點測溫方式，監測斷路器上、下動觸頭，出線母排的溫度變化情況；

2）1面母聯柜。采用6點測溫方式，監測進線、出線接頭的溫度變化情況。

安裝過程中采用捆綁式，通過合金帶將無源無線測溫傳感器固定于需測溫節點的就近位置，并使傳感器感溫部位與被檢測部位表面充分接觸以保證測溫效果。除此之外，還要嚴格檢查傳感器安裝后的電氣間隙，保證其不低于對應電壓等級的最低安全間隙。

3.2 測溫終端安裝

某水廠1#高爐水處理在線測溫系統安裝過程中在10kV高壓室安裝1臺無線測溫終端。

安裝過程中采取壁掛式，即懸掛在墻壁上，通過專用的箱體對其進行固定和保護，安全可靠，操作維護方便。

3.3 監控系統安裝

某水廠1#高爐水處理在線測溫系統安裝過程中在主控室安裝1套后臺監控系統。

安裝過程中要嚴格控制遠程通信布線，根據無線接收終端、站端系統和開關柜所在空間之間平面圖，合理采用光纖通信或者無線遠程通信。若無線接收終端與后臺通信距離小于100m，建議使用RS485方式通信，通信線纜采用雙絞屏蔽線纜，防止環境其他信號干擾。

安裝完畢后，要對監控后臺功能進行測試，檢查通信數據接收、處理、存儲、顯示、報警提示燈功能是否正常，界面顯示包括概括圖、詳細圖、曲線圖、一次圖是否完整，超溫報警是否正常等。

4 結束語

無源無線傳感器可靠性強、操作簡單、易于維護，可適用于多場景的實時溫度監測，實用效益顯著。在10kV高壓室開關柜溫度監測過程中，可運用無源無線傳感器進行觸頭、接線等溫度的實時測定，配合接收終端和監控系統，綜合展示10kV高壓室開關柜的運行狀態，及時發現其溫度異常缺陷并處理，避免由持續高溫導致的開關柜損毀或大面積斷電，提升系統供電可靠率。