厂用6kV开关基于EH技术安全监测系统应用

华北电力大学、大唐河北马头发电有限责任公司 程志奇

某火力发电厂始建于1958年，至2010年六期工程建成总装机容量104万kW，发电厂坐落于邯郸市马头生态工业城区，东依京广铁路、107国道、京珠高速公路，西邻峰峰、邯郸两大煤矿，属坑口发电厂，是河北省南部电网支撑电源点之一，该火力发电厂历史悠久，开关设备使用年限长，尤其对于高压电气开关设备运行的安全性，在生产中显得尤为重要。

高压设备的电气接触点由于超负荷运行，设备老化等原因而发生故障，因此电力设备接点温度越限、过流过压、局部放电、绝缘性破坏、异常振动等现象已成为电气设备运行中的常见问题。同时，在对于火电厂的运营管理人员进行现场管理时，常由于距离现场较远，无法随时随地进行现场监督管理工作而面临着重重挑战，如何加强电厂安全管理是火电厂持之以恒的重要工作。

1 高压开关柜的发热故障成因

高压开关柜根据设备的材料、选型、设备的运行环境和运行工况的不同，运行中产生故障的原因很多，具体总结如下：一是由于母排与电缆搭接处不良，导致的局部过热。二是由于断路器动静触头咬合不牢固产生错位，导致接触不良产生过热。三是相间以及内外绝缘闪络击穿，瓷瓶套管，电容套管击穿产生的过热。根据国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》13.3.12项规定：“开展开关柜温度检测，对温度异常的开关柜强化监测、分析和处理，防止导电回路过热引发柜内短路故障”[1]。

2 国内外研究进展

由于传统检查手段仅能依靠停电检修时从触头压痕、划痕等外观进行判断，存在较大的不确定性，而传统测温方式在高压开关柜的应用方面均存在一定的局限性，如热元件测温、蜡片测温存在运行中脱落、绝缘击穿的运行风险，远红外测温仅能测量可视范围测点，无法测量内部触头温度，光纤测温成本较高，存在光纤沿面放电风险，而传统的无线感应测温须采用电池供电或CT 取电，定期维护量大，测量精度受电流波动影响。鉴于此情况，本文深入进行了市场调研，探讨国内外最新的解决方案[2]。

2.1 国外研究现状

目前，国外对高压电气开关设备的测温装置，具有代表的是德国西门子公司研究开发的SITRANS 品牌中TS500、TSthermowell 两种型号的监测仪，其具有符合ATEX 和IEC EX 的防爆设计，本质安全、隔爆、无火花，采用模块化设计可在运行期间更换测温元件，采用符合EN 1092-1和ASME B16.5的法兰螺纹（G/R/M/NPT）标准化的焊接连接Van-Stone，其连接最长1000mm，也可定制特殊选项来满足具体应用需要连接头长度，西门子温度传感器有热电阻和热电偶两类。

热电阻测温原理：热电阻的电阻值随温度的改变而改变，温度和阻值变化成一定的比例关系，测量仪表通过测出热电阻的电阻值，从而得出与电阻值相应的温度值。热电偶测温原理：热电偶是由两根不同的导体焊接而成的闭合回路，两种导体为热电极，由于其适用范围主要为母线套管，并且需要定制，价格昂贵，尚未普及。

ABB 的“Safe”系列装置，其采用了声表面波元器件作为温度传感器向外发送温度信号，在线监测装置Safe Digital，将先进的数字化技术和传感器技术融入经典成熟的Safe 系列环网柜产品中，实现了对核心状态数据的实时在线采集、监测及诊断，帮助客户精准感知环网柜的健康状态，提供动态历史数据分析和精准运维建议，实现主动预测式提升运行连续性和可靠性，降低维护成本。

Safe Digital 提供多种在线监测及诊断功能，完整地实现了对环网柜设备的状态监测、分析诊断、寿命预测和主动运维：基于环境感知的设备温度有效管理精准的绝缘气体状态实时监控，机械特性在线监测可覆盖大部分例行试验和交接试验参数，三工位开关电动操作及可视化实时判断开关位置异常，更安全智能新一代站级管理触摸屏，环网柜健康状态清晰直观用户监控与ABB Ability 联合实现数据实时分析和精细化主动运维。

产品范围：12-24kV，630A，SafeRing/Safe Plus SF6。绝缘环网柜和紧凑型开关柜；12kV，630A，SafeRing/SafePlus Air 干燥空气绝缘环网柜和紧凑型开关柜；36-40.5kV，630A，SafeRing/ SafePlus SF6。绝缘环网柜和紧凑型开关柜。经调研发现ABB 系类产品多用于环网柜，固定式断路器开关，或者SF6封闭式开关使用，监测设备需要搭配其综合保护装置使用，不便于现场机柜改造。

2.2 国内研究现状

综合考虑测温系统性能、维护成本及采购成本，我国配电室内测温系统通常采用硅胶表带电池式传感器，搭载就地显示面板，但硅胶表带电池式传感器容易损坏，使用寿命短，致使其需要定期检查和维修，而每次处理该问题都要停工，给企业生产运行造成较大麻烦，并增加了维修成本。

主要技术指标。表带式测温头，直接把测温头绑到需要测温的位置，测温面和被测点接触无线模块电池的更换：装置提示电池电量低时（提示可以持续1个月，在此期间工作正常），在主回路不带电的情况下取下无线模块，打开外壳，对旧电池更换即可。电池型号为：3.6V AA 型锂氩电池（显示方式可以自行设置）。

可以对测温点温度的报警值进行设置，当测温点的测量温度值超过设定值时，装置的过热报警继电器触点闭合同时，液晶面板上在该测温点的状态栏提示过热字符。当无线模块的电池电量不足时，对应的测温点的值用反屏的状态显示，同时装置子带的蜂鸣器将发出报警音（报警音可以关闭，长按右键关闭报警音），提醒用户在下次检修时更换电池，提示电量不足开始，模块还可以继续工作3个月。

传感器头用耐高温胶带或扎带固定在要监测温度的点上，传感器盒安装在等电势母排的任意地方；如果是监测母排连接处的温度，这时传感器探头是安装在无线模块内部的，只要把传感器盒安装在尽量靠近母排连接点的位置，用耐高温胶带或扎带固定好即可。

其产品采用表带式传感器为硅胶材质，不耐高温，绑扎手段不牢靠，如出现脱落则会造成极大的安全隐患，传感器为电池取电，电池电量耗尽后监测点信号中断，更换电池须停电，如距离厂内计划检修时间较长，则此时监测产生空白造成安全隐患，开关设备面板安装主机需激光切割开孔，实际操作十分不便。

针对上述技术现状，某科技公司开发了能够在高电磁场、大电流，以及在高温下长期稳定工作的无源无线测温传感器型号为HWMSA-01。

3 厂用6kV 开关无线测温监测系统构架

3.1 感知层

传感器采用超低功耗设计、微电磁能量收集技术，环境能量采集（Energy Harvesting，EH），无须电池、射频通讯、CRC 校验等技术，具有绿色环保、免维护、电气隔离彻底、安装方便、抗干扰能力强、工作可靠、体积小巧等特点，能很好地解决高电压状态下的温度测量问题。实时将采集到的温度通过射频通讯，传输到监控终端上，实现不间断、准确地测量。

EH 技术是国内外新兴能量采集技术，可以利用电磁感应等原理，实现设备的无源无线自取电，其具有环保节能、安全方便、免除后期维护等诸多优点，利用该技术叠加现代精密测量设备，可较好地实现对以往困难问题的有效解决。如图1所示。这些能量以光能、电磁、压电等形式被换能器件所吸收，然后注入能量收集管理单元，收集起来的能量可以用于传感器、低功耗微控制器或存储起来，这个过程就叫微能量收集。能量收集技术上的突破使得以往处于概念阶段的“无电池”“半永久”应用场景成为现实，并且为绿色节能应用提供了更广阔的空间。

图1 典型设计图纸

图2 网络拓扑图

无源无限传感器技术采用电磁感应原理，类似于一次线圈绕组，通过取电合金绑扎固定于断路器动静触头处，当断路器手车至工作位置时，三相触头带电，传感器内置电源则可以感应到启动电流。

3.2 网络层

某火力发电厂厂用无线测温监测系统主要由数据采集系统、数据传输系统和主站监测系统三部分组成，对厂用6kV 配电室内25面开关柜的动触头、出线母排等易发热部位进行集中监测，通过实时状态监测与诊断，实现开关运行安全预警，帮助监控人员及时发现缺陷及隐患，从而采取有效处理措施，避免设备损坏。无线测温传感器采集被测物体温度信号后，通过433小无线通讯信号，向采集终端上传温度数据，再通过采集终端经过通讯线或光纤连接至后台系统上传服务器，实现物联，每个无线测温采集终端可以接收超过1000个测温信号，数据采用地址编码一一对应，只接收与通讯地址匹配的数据，采用此种方式区分传感器数据，保证每一个传感器对应一组信号，不会混乱。

一是无源无线测温传感器安装方便简洁、后期维护成本低，无须安装电池，适合6kV 及10kV 等中高压开关设备，大电流接点处进行温度监测，安装测点无须破坏原设备结构，无须开孔。二是整个无线测温系统可以通过无线方式通讯，避免了铺设通讯线电缆的施工成本，并且无线设备更不会产生爬电等影响，后续使用更为安全。三是无线测温系统使用年限长，并且准确高效实用。

4 应用效果分析

以往日常运行中厂用6kV 开关具有带电运行时间长、运行电流偏大、停电维护检修机会少等特点，并且因五防设计原因开关柜门闭锁不能打开，运行、维护人员仅仅依靠测温枪或红外成像仪等工具，很难对开关柜易发热部位如动静触头、出线母排等的温度进行有效监视。存在母线进线开关触头过热跳闸导致母线失电等影响机组安全稳定的安全隐患。以上安全隐患主要是因为缺乏有效的在线监测手段，难以有效预防过热故障，当开关元件发热后也无法及时处理，最终演变为开关损坏甚至机组非停。总之，以往厂用6kV 开关不能满足机组安全稳定运行的要求。

现阶段，巡检人员可直接在采集终端观测每一台开关设备的温度值，且显示环境温度及温差，相间温差，此项目取得了良好的安全管理效果。

5 结语

某火力发电厂6kV 配电室无线测温项目的实施，实现了配电开关设备的温度指标安全监测，达到了便于人工巡检，便于高效安全管理的目的，具有显著的示范带动作用。