基于无源无线传感技术的高压开关柜温度在线监测

２０１１年第５卷增刊２　２０１１，Ｖｏ１．５，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　２　南方电网技术　２０１１南网技术论坛获奖论文　ＳＯＵＴＨＥＲＮ　ＰＯＷＥＲ　ＳＹＳＴＥＭ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡｒｔｉｃｌｅｓ　Ａｗａｒｄｅｄ　ｉｎ　ＣＳＧ　Ｆｏｒｕｍ，２０１　１　

文章编号：１６７４．０６２９（２０１１）Ｓ２—０１２８．０４　中图分类号：ＴＭ７６４　文献标志码：Ａ　

基于无源无线传感技术的高压开关柜温度在线监测　

蒋远东　

（广西电网公司钦州供电局，　广西钦州５３５０００）　

摘要：鉴于目前高压开关柜测温技术存在非常大的弊端，根据无源无线传感技术的原理，提出了一种基于新型的无源无　线传感技术的高压开关柜温度在线监测新方法。该方法采用分层设计：高压室层和变电站层，高压室层进行温度测量，　变电站层后台软件将温度信号进行整理、分析、显示、存储和打印等。目前该系统已经应用于钦州Ｉ供电局２２０ｋＶ港口　和１１０ｋＶ广场、果子山等变电站，运行稳定、效果良好，成功地消除了多起安全隐患。　关键词：无源无线测温；温度监测；高压开关柜　

Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　

ＪＩＡＮＧＹｕａｎｄｏｎｇ　（Ｑｉｎｚｈｏｕ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｘｉ　５３５０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ　ｎｅｗ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈ－ｇｅａｒ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ，ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｓｏｕｒｓｅｄ，ａｎａｌｙｚｅｄ，ｄｉｓｐｌａｙｅｄ，　ｓｔｏｒｅｄ　ｉｎ　ｄａｔａｂａｓｅ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｓｔａｇｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｌｒｅａｄｙ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｕｓｅ　ｉｎ　２２０　ｋＶ　Ｇａｎｇｋｏｕ　Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，１　１　０　ｋＶ　Ｇｕａｎｇｃｈａｎｇ　Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｅｓ　ｉｔｓ　ｓｔａｎｄｉｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄ　ｓｕｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｓｏｌｖｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｈｉｄｄｅｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐａｓｓｉｖｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ；ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　

电力系统的安全、稳定的运行，是电力系统控　

制的根本目标。运行中的电力设备经常发生接头发　

热现象，如不及时发现并处理就会导致严重的生产　事故，因此电力系统热故障诊断受到人们的普遍重　

视。其中以１０　ｋＶ封闭式高压开关柜出现载流故障，　从而导致接头发热的事故的几率最大。据统计，２００４　

年１０　ｋＶ封闭式高压开关柜发生载流故障占所有电　

压等级的４４．４％。而封闭式高压柜在运行中不能打　开，因此无法测量运行中柜内接头的实际温度。因　此密封式开关柜内接头发热事故在近几年有增长的　

趋势，已经成为严重影响安全生产的难题，影响了　电力系统安全性和运行稳定性Ｌｌ　Ｊ。　

１　目前高压柜测温技术分析　

近几年来，随着技术的发展，１０　ｋＶ封闭式高　

压开关柜中广泛运用各种先进温度测试设备，现有　的１０　ｋＶ开关柜内接点温度监测手段包括测温蜡　片、光纤测温、红外测温和有源无线测温方式。　

（１）测温蜡片　测温蜡片是会变色的不干胶贴纸。由背面带有　

的不干胶粘贴被测点，颜色变化指示过热的一种新　型不可逆示温类产品。当被测点温度高于变色额定　

温度时，变色示温片即由原始白色变成过热后的黑　色，永远保持过热后的黑色。　

缺点：测温蜡片具有不可逆性，只能一次性使　

用。也不具备实时数据记录和精确测量的功能。需　要人工经常去目测，安装点的视线易被遮挡。　（２）红外测温　

红外测温采用接收被测量点幅射出的远红外　波，通过判断远红外波长来确定测量点温度红外测　

温仪适合人工巡查测温，因为使用比较灵活，现在　

已经成为２２０　ｋＶ以上高压电力设备温度检测的一　个主要手段。　

缺点：体积较大，成本高，精度一般（与距离　增刊２　蒋远东：基于无源无线传感技术的高压开关柜温度在线监测　１２９　

有关），无法实现在线实时监测。另外红外线无法绕　射透过遮挡物、准确测量关键接点处温度，限制了　

它在一些场合的应用。　（３）光纤测温　探测光缆铺设在待测的设备上，光经放大后，　由光纤传达到热敏材料部分，然后反射回一个与自　

身温度相对应的脉冲光信号；信号经过处理即可求　得实时温度。　

缺点：光纤具有易折，易断的特性，安装复杂，　

设备造价高，特别是积累灰尘后将导致光纤沿面放　电，俗称“爬电”，绝缘性降低，造成安全隐患。目　前该测温方式已经有造成人身事故的例子。　

（４）有源无线测温　采用电池或者小电流互感器取能给测温芯片供　

电，再将测温芯片得到的信号通过无线芯片无线发　出。　

缺点：这种方案虽然实现了温度信号的无线传　输，但是由于该方案属于有源方案，传感头需要电　池供电或者小电流互感器取能供电。电池供电存在　

需要定时更换电池，而且电池在夏季抗高温能力较　差，给电力部门的运营带来影响；而小电流互感器　

取能则存在若接头电流较小，电能无法取出，传感　

头停止工作，若接头电流较大，则容易烧坏小电流　互感器直至烧坏传感头。所谓小电流互感器就是一　

个小变压器，它可以通过感应高压母线上的交变电　流取得电能。采用电流互感器取能，传感头体积较　

大，而且布放的位置对取能效率影响很大，缺乏普　

遍适应性。　正是因为上述四种方案存在各种隐患或者缺　

点，本文提出了无源无线方式传感触点温度。无线　

传感方式能使高压侧与低压侧物理绝缘，无源工作　免除了供电问题，安装方便且后期免维护，因此无　

源无线的声表面波温度传感器在电力系统的应用前　景十分广泛。　要采用谐振型结构。　谐振型声表面波振荡器结构如图１所示，在基　

片材料表面中央利用光刻、镀膜技术制作一对叉指　换能器，在叉指换能器两侧配置两组周期性排列的　

多条反射栅阵列，叉指换能器激发的声表面波反射　栅阵列反射回来并形成驻波，利用类似波振子的谐　

振状态。　频率为，ｉ的电磁波入射至声表面波震荡器上，　振荡器的叉值换能器将电磁波的电能转换为基片的　

动能，即电磁波转换为基片内的声波在基片内传递。　传递过程中由于基片温度所产生的热胀冷缩效应，　

使得声波在传递过程中频率发生变化。变化后的声　波经过栅极反射回叉值换能器，再转换为频率为　的电磁波辐射出去，如图１所示。比较入射频率　

和出射频率　之间的关系，就可以得到基片的温度　

图１声表面波谐振器结构　

Ａｆ＝ｆｏａＡＴ＝ＫＡＴ。　（１）　

式中：ｆｏ为温度为基准频率，　称为声表面波传感　器的灵敏度ｌ３］。式（１）表明，振荡频率变化量△　

与温度变化量成正比。　本系统无源无线传感头经过合理设计，工作频　

率在４２８～４３６　ＭＨｚ。　本系统传感头无须供电、绝缘简单、免于维护，　

可安装在封闭式开关柜的开关触点、进线接头、出　

线接头等易发热的部位。　

２无源无线传感技术原理　３系统总体设计　

无源无线传感技术是采用声表面波技术设计，　根据温度变化引起的声表面波器件震荡频率变化来　

测量温度　。声表面波器件的核心部件是声表面波　

振荡器，它是利用光刻、真空镀膜等工艺在压电基　片上制作出叉指换能器、反射栅而形成的两种结构，　

一种是延迟线型，另一种是谐振器型。本传感头主　系统整体设计如图２所示。系统按应用位置分　

为两层，高压室层和监控室层。其中高压柜室内的　

设备分别为无源无线传感头、无线测温采集器、无　线测温中继器。每一个传感器对应一个测温点，传　

感器将温度对应的频率信息发送至采集器，每一个　

开关柜配置３～９个无源无线温度传感头。采集器主　１３０　南方电网技术　第５卷　

要采集完成发射传感射频信号，接收传感头返回的　

温度对应频率信号、数据处理得到温度和数据打包　通过无线通信方式将其发送至无线中继器。无线中　

继器的主要完成汇集各个采集器传来的各开关柜温　度信号，通过４８５总线、ＣＡＮ总线或者ＭＯＤＢＵＳ　

等有线传输方式，将温度信号传送至监控室层的无　

线测温网关。监控室内无线测温网关接收中继器传　来的温度信号将其传送至监控服务器。监控服务器　

完成对温度数据的显示、分析、记录及报警处理。　

无线　

。监控室　

高压柜室　

争　Ｆ　

无线　测温　采集器　测温中继器　

多个开关柜　白　白　Ｃ　ｉｎ　Ｃ　ｏｕｔ　

ｌＡ变电站　

图２无源无线开关柜监测系统结构框图　

４应用实例　

本系统于２００９年４月在钦州供电１１０　ｋＶ广场　

变电站内试运行。在广场边１０　ｋＶ高压室内的１０　个开关柜内，每个开关柜内安装６个温度探头和一　

个无线测温采集器。其中温度探头安装在易发热的　

接触点位置。温度信号通过无线方式传送至无线温　度采集器。　温度采集器则安装在开关柜顶部，温度采集器　实现六个探头温度数据的采集、分析和显示，同时　

将温度数据打包发送至测温中继。　无线中继采集温度信号通过有线方式发送给高　

压侧监控服务器，测温监控服务器完成对各开关柜　

温度数据的显示、分析、存储、记录、打印及报警　处理。　当温度升高超过设定值时、或者升温速度过快、　或者三相温度差不均衡，该系统会自动报警。报警　

方式包括蜂鸣器报警、又包括屏幕闪烁、红色文字　警示等。为开关柜由计划检修转变为状态检修提供　

数据依据。　同时后台监控系统可以显示单个开关柜各测温　

点历史温度变化曲线、实时温度变化曲线，实现温　

度日报表、月报表并打印等功能。　本系统在钦州１　１０　ｋＶ广场变安装挂网运行后，　于２００９年７月１０日发现９１１号广场变电站Ｌ２相　

出线触点温度高达８５℃，而Ｌ１相、Ｌ３相出线接点　温度仅５２℃。该系统根据三相温差不均衡判据，判　

断Ｌ２相温度异常，报警。后经工作人员检查，发　

现是Ｌ２相由于紧固螺栓出现松动，导致出线触点　

接触不良，接触电阻过大，从而引起的温升异常。　该系统成功地消除了潜在的安全隐患，预防了一起　可能发生的安全事故。　

５结论　

基于无源无线传感技术的温度监测系统有效地　

克服了现有开关柜测温技术存在死角的缺陷，做到　对开关柜易发热的接点部位实时在线监测，防止由　

于多种原因在负荷变化时引起设备过热，造成设备　

损坏。同时，本系统提供开关柜接点温度变化的实　

时数据，实现了检修人员从计划检修到状态检修，　有效地提高了电网运行的可靠性、安全性，促进了　在线测温技术的完善和发展。　

参考文献：　［１］　宋呆，崔景春，袁大陆２００４年高压开关柜设备运行统计分析［Ｊ　Ｊｌ　电力设备，２００６，７（２）：１１－１４．　［２］　ＲＥＩＮＤＬ　Ｌ，ＳＣＨＯＬＬ　Ｇ，ＯＳＴＥＲＴＡＧ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐａｓｓｉｖｅ　ＳＡＷ　Ｒａｄｉｏ　Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒｓ　Ａｓ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９９８，４５（５）：１２８１—１２９１．　［３］Ｐｏｈｌ　Ａｌｆｒｅｄ　Ａ　Ｒｅｖｉｅｗｅｒ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｏｆ　ＳＡＷ　Ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，　２０００，４７（２）：３１７－３３２，