廠用6kV開關基于EH技術安全監測系統應用

華北電力大學、大唐河北馬頭發電有限責任公司 程志奇

某火力發電廠始建于1958年，至2010年六期工程建成總裝機容量104萬kW，發電廠坐落于邯鄲市馬頭生態工業城區，東依京廣鐵路、107國道、京珠高速公路，西鄰峰峰、邯鄲兩大煤礦，屬坑口發電廠，是河北省南部電網支撐電源點之一，該火力發電廠歷史悠久，開關設備使用年限長，尤其對于高壓電氣開關設備運行的安全性，在生產中顯得尤為重要。

高壓設備的電氣接觸點由于超負荷運行，設備老化等原因而發生故障，因此電力設備接點溫度越限、過流過壓、局部放電、絕緣性破壞、異常振動等現象已成為電氣設備運行中的常見問題。同時，在對于火電廠的運營管理人員進行現場管理時，常由于距離現場較遠，無法隨時隨地進行現場監督管理工作而面臨著重重挑戰，如何加強電廠安全管理是火電廠持之以恒的重要工作。

1 高壓開關柜的發熱故障成因

高壓開關柜根據設備的材料、選型、設備的運行環境和運行工況的不同，運行中產生故障的原因很多，具體總結如下：一是由于母排與電纜搭接處不良，導致的局部過熱。二是由于斷路器動靜觸頭咬合不牢固產生錯位，導致接觸不良產生過熱。三是相間以及內外絕緣閃絡擊穿，瓷瓶套管，電容套管擊穿產生的過熱。根據國家能源局《防止電力生產事故的二十五項重點要求》13.3.12項規定：“開展開關柜溫度檢測，對溫度異常的開關柜強化監測、分析和處理，防止導電回路過熱引發柜內短路故障”[1]。

2 國內外研究進展

由于傳統檢查手段僅能依靠停電檢修時從觸頭壓痕、劃痕等外觀進行判斷，存在較大的不確定性，而傳統測溫方式在高壓開關柜的應用方面均存在一定的局限性，如熱元件測溫、蠟片測溫存在運行中脫落、絕緣擊穿的運行風險，遠紅外測溫僅能測量可視范圍測點，無法測量內部觸頭溫度，光纖測溫成本較高，存在光纖沿面放電風險，而傳統的無線感應測溫須采用電池供電或CT 取電，定期維護量大，測量精度受電流波動影響。鑒于此情況，本文深入進行了市場調研，探討國內外最新的解決方案[2]。

2.1 國外研究現狀

目前，國外對高壓電氣開關設備的測溫裝置，具有代表的是德國西門子公司研究開發的SITRANS 品牌中TS500、TSthermowell 兩種型號的監測儀，其具有符合ATEX 和IEC EX 的防爆設計，本質安全、隔爆、無火花，采用模塊化設計可在運行期間更換測溫元件，采用符合EN 1092-1和ASME B16.5的法蘭螺紋（G/R/M/NPT）標準化的焊接連接Van-Stone，其連接最長1000mm，也可定制特殊選項來滿足具體應用需要連接頭長度，西門子溫度傳感器有熱電阻和熱電偶兩類。

熱電阻測溫原理：熱電阻的電阻值隨溫度的改變而改變，溫度和阻值變化成一定的比例關系，測量儀表通過測出熱電阻的電阻值，從而得出與電阻值相應的溫度值。熱電偶測溫原理：熱電偶是由兩根不同的導體焊接而成的閉合回路，兩種導體為熱電極，由于其適用范圍主要為母線套管，并且需要定制，價格昂貴，尚未普及。

ABB 的“Safe”系列裝置，其采用了聲表面波元器件作為溫度傳感器向外發送溫度信號，在線監測裝置Safe Digital，將先進的數字化技術和傳感器技術融入經典成熟的Safe 系列環網柜產品中，實現了對核心狀態數據的實時在線采集、監測及診斷，幫助客戶精準感知環網柜的健康狀態，提供動態歷史數據分析和精準運維建議，實現主動預測式提升運行連續性和可靠性，降低維護成本。

Safe Digital 提供多種在線監測及診斷功能，完整地實現了對環網柜設備的狀態監測、分析診斷、壽命預測和主動運維：基于環境感知的設備溫度有效管理精準的絕緣氣體狀態實時監控，機械特性在線監測可覆蓋大部分例行試驗和交接試驗參數，三工位開關電動操作及可視化實時判斷開關位置異常，更安全智能新一代站級管理觸摸屏，環網柜健康狀態清晰直觀用戶監控與ABB Ability 聯合實現數據實時分析和精細化主動運維。

產品范圍：12-24kV，630A，SafeRing/Safe Plus SF6。絕緣環網柜和緊湊型開關柜；12kV，630A，SafeRing/SafePlus Air 干燥空氣絕緣環網柜和緊湊型開關柜；36-40.5kV，630A，SafeRing/ SafePlus SF6。絕緣環網柜和緊湊型開關柜。經調研發現ABB 系類產品多用于環網柜，固定式斷路器開關，或者SF6封閉式開關使用，監測設備需要搭配其綜合保護裝置使用，不便于現場機柜改造。

2.2 國內研究現狀

綜合考慮測溫系統性能、維護成本及采購成本，我國配電室內測溫系統通常采用硅膠表帶電池式傳感器，搭載就地顯示面板，但硅膠表帶電池式傳感器容易損壞，使用壽命短，致使其需要定期檢查和維修，而每次處理該問題都要停工，給企業生產運行造成較大麻煩，并增加了維修成本。

主要技術指標。表帶式測溫頭，直接把測溫頭綁到需要測溫的位置，測溫面和被測點接觸無線模塊電池的更換：裝置提示電池電量低時（提示可以持續1個月，在此期間工作正常），在主回路不帶電的情況下取下無線模塊，打開外殼，對舊電池更換即可。電池型號為：3.6V AA 型鋰氬電池（顯示方式可以自行設置）。

可以對測溫點溫度的報警值進行設置，當測溫點的測量溫度值超過設定值時，裝置的過熱報警繼電器觸點閉合同時，液晶面板上在該測溫點的狀態欄提示過熱字符。當無線模塊的電池電量不足時，對應的測溫點的值用反屏的狀態顯示，同時裝置子帶的蜂鳴器將發出報警音（報警音可以關閉，長按右鍵關閉報警音），提醒用戶在下次檢修時更換電池，提示電量不足開始，模塊還可以繼續工作3個月。

傳感器頭用耐高溫膠帶或扎帶固定在要監測溫度的點上，傳感器盒安裝在等電勢母排的任意地方；如果是監測母排連接處的溫度，這時傳感器探頭是安裝在無線模塊內部的，只要把傳感器盒安裝在盡量靠近母排連接點的位置，用耐高溫膠帶或扎帶固定好即可。

其產品采用表帶式傳感器為硅膠材質，不耐高溫，綁扎手段不牢靠，如出現脫落則會造成極大的安全隱患，傳感器為電池取電，電池電量耗盡后監測點信號中斷，更換電池須停電，如距離廠內計劃檢修時間較長，則此時監測產生空白造成安全隱患，開關設備面板安裝主機需激光切割開孔，實際操作十分不便。

針對上述技術現狀，某科技公司開發了能夠在高電磁場、大電流，以及在高溫下長期穩定工作的無源無線測溫傳感器型號為HWMSA-01。

3 廠用6kV 開關無線測溫監測系統構架

3.1 感知層

傳感器采用超低功耗設計、微電磁能量收集技術，環境能量采集（Energy Harvesting，EH），無須電池、射頻通訊、CRC 校驗等技術，具有綠色環保、免維護、電氣隔離徹底、安裝方便、抗干擾能力強、工作可靠、體積小巧等特點，能很好地解決高電壓狀態下的溫度測量問題。實時將采集到的溫度通過射頻通訊，傳輸到監控終端上，實現不間斷、準確地測量。

EH 技術是國內外新興能量采集技術，可以利用電磁感應等原理，實現設備的無源無線自取電，其具有環保節能、安全方便、免除后期維護等諸多優點，利用該技術疊加現代精密測量設備，可較好地實現對以往困難問題的有效解決。如圖1所示。這些能量以光能、電磁、壓電等形式被換能器件所吸收，然后注入能量收集管理單元，收集起來的能量可以用于傳感器、低功耗微控制器或存儲起來，這個過程就叫微能量收集。能量收集技術上的突破使得以往處于概念階段的“無電池”“半永久”應用場景成為現實，并且為綠色節能應用提供了更廣闊的空間。

圖1 典型設計圖紙

圖2 網絡拓撲圖

無源無限傳感器技術采用電磁感應原理，類似于一次線圈繞組，通過取電合金綁扎固定于斷路器動靜觸頭處，當斷路器手車至工作位置時，三相觸頭帶電，傳感器內置電源則可以感應到啟動電流。

3.2 網絡層

某火力發電廠廠用無線測溫監測系統主要由數據采集系統、數據傳輸系統和主站監測系統三部分組成，對廠用6kV 配電室內25面開關柜的動觸頭、出線母排等易發熱部位進行集中監測，通過實時狀態監測與診斷，實現開關運行安全預警，幫助監控人員及時發現缺陷及隱患，從而采取有效處理措施，避免設備損壞。無線測溫傳感器采集被測物體溫度信號后，通過433小無線通訊信號，向采集終端上傳溫度數據，再通過采集終端經過通訊線或光纖連接至后臺系統上傳服務器，實現物聯，每個無線測溫采集終端可以接收超過1000個測溫信號，數據采用地址編碼一一對應，只接收與通訊地址匹配的數據，采用此種方式區分傳感器數據，保證每一個傳感器對應一組信號，不會混亂。

一是無源無線測溫傳感器安裝方便簡潔、后期維護成本低，無須安裝電池，適合6kV 及10kV 等中高壓開關設備，大電流接點處進行溫度監測，安裝測點無須破壞原設備結構，無須開孔。二是整個無線測溫系統可以通過無線方式通訊，避免了鋪設通訊線電纜的施工成本，并且無線設備更不會產生爬電等影響，后續使用更為安全。三是無線測溫系統使用年限長，并且準確高效實用。

4 應用效果分析

以往日常運行中廠用6kV 開關具有帶電運行時間長、運行電流偏大、停電維護檢修機會少等特點，并且因五防設計原因開關柜門閉鎖不能打開，運行、維護人員僅僅依靠測溫槍或紅外成像儀等工具，很難對開關柜易發熱部位如動靜觸頭、出線母排等的溫度進行有效監視。存在母線進線開關觸頭過熱跳閘導致母線失電等影響機組安全穩定的安全隱患。以上安全隱患主要是因為缺乏有效的在線監測手段，難以有效預防過熱故障，當開關元件發熱后也無法及時處理，最終演變為開關損壞甚至機組非停?？傊?，以往廠用6kV 開關不能滿足機組安全穩定運行的要求。

現階段，巡檢人員可直接在采集終端觀測每一臺開關設備的溫度值，且顯示環境溫度及溫差，相間溫差，此項目取得了良好的安全管理效果。

5 結語

某火力發電廠6kV 配電室無線測溫項目的實施，實現了配電開關設備的溫度指標安全監測，達到了便于人工巡檢，便于高效安全管理的目的，具有顯著的示范帶動作用。