电气设备在线检测技术

电气设备在线检测技术

高压开关柜的一次高压部件的热功率较大容易导致柜内电子元件的异常发热，为了避免元件过热导致线路短路，对柜内温度进行实时检测可以间接了解开关柜的运行状态，本文以开关柜在线温度检测技术作为研究对象，分析现有的在线检测技术的工作原理以及各自的缺点，分析新型的声表面波测温技术的工作原理和系统构成，应用该技术克服原始在线检测技术的缺陷，以高效安全可靠地方式获得温度数据，实现对开关柜的状态检测和故障预警。

标签：开关柜;在线检测;声表面波

1引言

高压开关柜作为一种高压电网传输保护装置已经广泛应用于国家电力系统中，主要在10kV-36kV的高压线路中使用，其主要作用有控制传输线路的断开和闭合、实时监测电压数据、线路故障保护等等[1]。高压开关柜可靠稳定地运行对于电力传输有着至关重要的意义，开关柜以高集成度、检修安全方便、高灵敏度等优点受到国家电网的广泛使用，开关柜是一种全封闭的金属柜结构而且高压电流容易引发电路元件过热，这样不仅会导致开关柜的散热能力不足而且无法采用红外测温等方式对柜内设备进行检测，随着中国电网的升级，传输电网电压的进一步提高容易导致经常性出现开关柜内设备过热进而诱发火灾或者设备损坏导致停电等事故[2]，所以对开关柜的重要载流部件进行实时温度检测可以有效降低开关柜发生故障的可能性，保证高压电网传输的可靠性。

2在线检测技术发展现状

随着中国社会城镇化的加速发展，城镇居民对于用电量的需求也在不断增大，为了优化供电效率和质量，配电站需要增加高压开关柜的数量，开关柜的日常检修工作要求变得更加严格工作内容也更加繁重，为了优化开关柜的日常检修工作效率和工作质量，引入在线检测技术变得尤为重要。当前应用于开关柜日常检测的技术有两种：无线有源测温技术和光纤光栅测温技术，下面具体分析两种技术的工作原理以及存在的缺点。

2.1无线有源测温技术

无线有源测温技术的工作原理较为简单，将有源测温传感器安装在需要测量温度的设备上，通过传感器和无线传输模块集成的电路向接收器传递温度数据，接收器再将数据传递给上位机实现实时监测，这种测温技术的最大优点是取消了繁杂的检测电路布线采用无线传输数据的方式实现温度的检测，但是测温传感器的供电形式和安装位置是该技术发展的最大阻碍，常见的测温传感器按照工作原理划分可以分为半导体式[3]和热电偶式[4]，这两种传感器都需要通过电池供电或者感应供电才能正常工作，对于电池供电虽然可以保证传感器在一定时间内稳定工作但是需要长期定时更换电池，对于感应供电是通过设备的一次侧电流产生

的感应电压为传感器供电，虽然消除了定期更换电池的缺点但是一次侧电流的变化对于传感器温度测量的精度影响极大，无法确保设备工作的稳定性。

2.2光纤光栅测温技术

光纤布拉格光栅[5]在1978年首次研究成果，此后光纤光栅技术广泛应用于传感器、通信工程等领域。光纤光栅温度传感器利用了光纤光栅的光敏性进行温度检测[6]。当温度传感器所处环境中的温度产生变化，光纤的光栅周期以及芯膜有效折射率均会产生变化从而导致光纤光栅的波长产生变化，借助相关的检测电路将波长变化转换成相应的电平进而实现对开关柜设备的温度检测，应用于开关柜在线检测的测温系统主要由光纤光栅传感器、耦合器、多光路开关、解调仪、上位机等组成。具体工作流程是通过解调仪产生窄带激光，窄带激光通过多光路开关分散成波长相同的激光，最终传递到安装在开关柜内部的温度传感器中，当设备温度变化时光栅的波长会发生相应的变化，同时借助耦合器将激光反射到多光路开关再回到解调仪，解调仪通过解调电路将反射激光转换成相应的温度数据，解调仪通过网线将数据传递给上位机实现开关柜温度的在线检测。光纤光栅测温系统具有高灵敏度、高集成度、强抗干扰能力等优点，但是该系统需要产生窄带激光，所以系统的总体造价较高，无法适用于大范围的开关柜温度检测。而且设备的安装布线较为复杂，光纤本身对于开关柜设备的绝缘性保护也有一定影响。

3开关柜无线无源测温技术

无线无源测温技术是根据光纤测温和有源测温提出的全新测温技术，为了解决光纤测温和有源测温存在的可靠性、安全性、稳定性问题，无线无源测温技术采用不接触设备无线传输的方式实现对设备温度的检测，其中最有代表性的技术之一是声表面波测温技术，声表面波是研究人员在分析地震波时偶然发现的，之后逐渐发展应用于通信、军工等领域。现在已经由基于声表面波技术的测温传感器应用于开关柜在线检测，下面具体分析传感器的工作原理以及系统组成。

3.1声表面波测温原理

声表面波传感器主要由声波采集器、压电晶体、测温传感器三个部分组成，首先声波采集器通过发射天线向测温传感器传递高频电磁波信号，测温传感器会在压电晶体上产生激励声波，传感器所处的外界条件会产生相应的激励声波，这种激励声波被称为声表面波，声表面波携带相关的物理信息借助压电晶体上的反射栅条反射电磁波信号，最后由声波采集器进行采集并做后续的数据分析。

例如應用于设备测温，测温传感器的测量距离可以在2-10m，很好地解决了有源测温需要将测温传感器安装在开关柜内部的问题，而且通过外接电源无线传输的方式解决了传统在线测温供电和电路布置等问题，适用于开关柜所处的高温高电压环境。除此之外，声表面波传感器还可用于压力速度等常规物理量的测量。

3.2无线测温系统

无线无源测温系统采用分布式分层结构，整个测温系统从上到下可以分为四层分别是远程终端层、实时监测层、数据采集层、设备测量层。远程终端层是通过建立系统物联网将移动端设备例如智能手机、平板电脑等对实时监测层进行检查控制，不需要操作人员时刻观察监测设备上数据的变化，极大地减轻了操作人员的工作强度;实时监测层将数据采集层获得的温度数据进行集中分析监控和预警，并且监测设备加入了专家诊断系统对于操作人员忽视的故障问题也能及时提醒，减少发生事故的可能性;数据采集层将设备测量层获得的温度数据进行汇总上传，并且将控制信号传递给温度传感器，实现了数据的无线传输和对温度传感器的通信;设备测量层采用的是分布式组网的形式，在每一个开关柜都设置有相应的温度传感器，多个温度传感器输出的信号由单个数据采集器进行收集汇总，数据采集器再将这些数据通过无线或许串行端口的形式传递到数据采集层，这样就形成了智能变电站控制系统。

无线无源测温系统的应用可以有效解决传统开关柜在线测温技术存在的传感器供电、电路布置、线路绝缘影响等问题。无线传输的通信方式增加了系统的可扩展性，通过对开关柜重要载流部件的温度实时监控以及可能性故障预警，对于排除开关柜的隐藏故障和降低开关柜的故障率等方面具有较大的帮助，除此之外，无线无源测温技术还可以应用于变压器的过载检测、复杂结构线缆的温度检测、避雷器的熔断检测等等领域，在电网设备保护方面具有较为广阔的应用前景。

参考文献

[1] 高阳，谷彩连，刘宝良，吴伟晴.高压开关柜局部放电特性分析与抗干扰研究[J].电力电子技术，2020，54（03）：15-19.

[2] 明波.封闭式高压柜内接头发热事故的分析及预防[J].中国新技术新产品，2018（23）：146-147.

[3] 程路，石浩辰.半导体温度传感器特性研究[J].科技展望，2016，26（24）：218+220.

[4] 丁润琦，甄国涌，张凯华.温度传感器S型热电偶测温电路设计[J].中国测试，2020，46（01）：99-104.