基于iSAW表面声波高压开关柜测温在线监测系统的研发

基于iSAW表面声波高压开关柜测温在线监测系统的研发

杨彪洪永健靳泰然张昱国李霁寅赵剑杨俊

（云南电网有限责任公司昆明供电局昆明市官渡区650020）

摘要：高压开关柜作为电力系统中非常重要的电气设备，随着现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对高压开关柜的可靠性也提出了更高的要求，目前开关柜因过热、内部异常放电引起的电力事故在不断的增加，开关柜内部故障发生后一般都是被动的去处理，目前没有一种实时、主动、可靠的提前发现隐患行知有效的控制措施；本文通过对目前测温技术现状分析，设计和研发了一套基于iSAW表面声测温在线监测系统，彻底解决了目前高压开关柜测温技术的弊端，通过手机APP终端实时监测设备温度、局放参数变化，一旦有异常可以及时通过手机短信方式自动发送设备发热温升率数据信息和缺陷等级报警信息，达到了设备温度发热主动式预警、预防和控制。

关键词：iSAW；温度；无源；在线；开关柜；

BasedoniSAWsurfaceacousticwavehighvoltageswitchgeartemperaturemeasurement

onlineMonitoringsystemdevelopment

YangBiao，HongYongjian，jinTairan，ZhangYiguo，

（KunmingPowerSupplyBureauofYunnanPowerGridCo.，Ltd.，GuanduDistrict，Kunming650020）

Abstract：High-voltageswitchgearisaveryimportantelectricalequipmentinpowersystem.Withtheincreasingdemandforpowerqualityinmodernpowersystems，correspondinglyhigherrequirementsareplacedonthereliabilityofhigh-voltageswitchgear.Theelectricaccidentscausedbyoverheatingandinternalabnormaldischargeareincreasingcontinuously.Aftertheinternalfaultsoftheswitchgeararegenerallypassivelyprocessed，thereisnoreal-time，activeandreliableearlydetectionofhiddendangersandeffectivecontrolmeasures.Throughtheanalysisofthecurrentstatusoftemperaturemeasurementtechnology，asetofon-linemonitoringsystembasedoniSAWsurfaceacoustictemperaturemeasurementwasdesignedanddeveloped，whichcompletelysolvedtheshortcomingsofcurrenthightemperatureswitchgeartemperaturemeasurementtechnology，andmonitoredequipmenttemperatureandPDparametersinrealtimethroughmobileAPPterminal.Change，oncethereisanabnormality，thedevicecanautomaticallysendthedevice'sheatingtemperatureriseratedatainformationanddefectlevelalarminformationthroughthemobilephoneshortmessagemethod，andachievetheactivewarning，preventionandcontrolofthedevicetemperatureheating.

Keywords：iSAW；temperature；passive；online；switchgear；

一、前言

高压开关柜作为电力系统中非常重要的电气设备，随着现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对高压开关柜的可靠性也提出了更高的要求；随着电网的发展和设备技术的提高，10KV，35kV系统开关柜在电网中已大量使用，而开关柜的内部过热现象已成为开关柜使用中的常见问题，由于开关柜体的密闭性，在一些负荷较重的地区，存在开关柜的温升超标问题，设备老化出现的异常放电现象，直接影响设备的安全稳定运行，而且发热和内部放电问题是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程度会不断加剧恶化，并对绝缘件的性能及设备寿命产生很大的影响。目前对电力系统内部使用的开关柜，运行中随着负荷升高，负荷电流突变，有时候会超出安全载流量运行，设备搭接面处发热，特别是手车断路器动触臂于静触头接触不良、梅花触头压紧弹簧松动，导致的发热，往往巡视中很难发现，等到设备发热烧坏或者热击穿跳闸，有些时候开柜爆炸后才会被发现，采用一种有效的在线监测系统来提高开关柜设备的安全稳定性变的尤为重要。

二、目前测温技术现状分析

1、目前测温的传感器采用的是有源方式需要电池来供电，一旦电池电量用完（一般寿命在2年左右）或电池发生故障，需要设备停电进行更换。

2、按照目前巡视要求，变电站各巡维中心运行人员每月只会按排少数几次开关柜温度人工巡检。相近两次人工巡检至少会有十几天的时间间隔。如果在这十几天内发生过热或快速温升现象、并导致故障发生，人工巡检并不能及时察觉到和早期预警。

3、由于开关柜柜体是被钢板完全封闭得，人工温度巡检只能监测到几个易测点的温度。但运行中的开关柜实际上存在多个潜在的发热点和死角，如断路器进线、断路器出线、电缆出线、和母排等。以上任何一个点的过热都可能导致开关柜重大安全事故。

4、巡检设备精度、监测方式、和巡检工人的经验等因素都会给人工温度巡检的有效性和可靠性带来诸多的不可靠和不确定因素。

5、人工温度巡检只能提供独立的、某一时间点上的温度数据。它并不能够提供连续时间间段内设备完整的温度数据和变化趋势，也不能提供开关柜内相关技术参数与温度变化之间的关系，如在温度变化的情况下，开关柜内负载电流的相应变化情况。

6、目前的测温传感器的固定方式简单，通过塑料捆扎带或单芯线进行固定，后期运行过程中因捆绑不牢靠或捆扎带老化断裂，宜造成传感器掉落安全风险发生。

三、目前开关柜测温技术的基本要求和影响因素

当前越来越多的电力用户要求在开关柜内部安装电气接点实时温度监测系统，从而及时掌握开关柜温度变化趋势和开关运行状态，及时排查事故隐患和合理安排设备检修时间。但是由于高压开关柜内存在大电流、高电压，电磁环境极为恶劣等诸多困难因素，现有开关柜测温技术都存在着各种各样的局限性。

1、红外测温：在多数情况下红外测温只能依靠人工巡查来完成，受限于测温窗口的大小限制，测温存在死角和盲区，无法实时温度在线监测。

2、光纤测温：光纤测温是有线测温技术的一种。虽然光纤本身具有良好的绝缘性能，但是在开关柜内，光纤在长时间使用过程中会积累灰尘，极易导致光纤沿面放电、闪络，从而光纤绝缘性能降低，为开关柜安全运行带来隐患。

3、无线有源（电池供电）测温：测温传感器采用无线通讯模块，同时采用电池供电。传感头需要定期更换电池，同时电池更换必须是在开关柜退出运行状态下进行，造成后期维护成本太高。另外电池本身就不适于长期工作在高温环境，电池变质也可能为开关柜的运行带来安全隐患。

4、无线有源（感应取电）测温：该技术需要需在开关柜内加装感应线圈以获取电能（用于替代电池）。测温传感器硬件复杂，在高电压、大电流、长期高温运行的电力开关柜内，传感器很难保证长期运行的可靠性和稳定性。

四、基于iSAW表面声测温在线监测系统的监测方法及系统构成

1、声表面波测温元件技术原理

声表面波器件是在压电基片上制作两个声→电换能器→叉指换能器，其工作原理是通过基片换能器（输入换能器）经逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的特性来完成的。

图1带IDT（叉指换能器）的晶体衬底及阻尼谐振波形

当我们把电压加载在压电晶体如石英的电极上，那么由于压电效应就会在压电晶体的晶格中形成机械畸变，利用这种原理压电基片材料表面产生并传播、并且其振幅随深入基片材料的深度的增加而迅速减少的弹性波，就是声表面波。声表面波滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个0.1μm厚的铝膜构成的电极结构即声电换能器（叉指换能器）。叉指换能器就是采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，再把设计好的两个IDT的掩膜图案利用光刻方法沉积在基片表面，分别作为输入换能器和输出换能器。声电转换器的形状是指状电极结构，即手指相互交叉的形式。每两个这种相互交叉的指状系统构成一个指间转换器或者叉指换能器。其工作原理是：输入换能器将电信号转换成声波信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声波信号转换成电信号输出。

传感器的工作原理是将射频信号发射到压电材料的表面，然后将受到温度影响了的反射波再转回电信号而获取温度数据。表面波技术的最大好处是利用了传感器的被动工作原理-即在非常规的运行环境下（高电压，高电流）实现无线温度数据采。

2、开关柜内iSAW表面声波测温在线监测装置系统构成

一种开关柜内iSAW表面声波测温在线监测装置系统，它包括电源、数据网关、环境温度传感器、4G路由器、CT模块和测温局放读取器，数据网关、环境温度传感器、4G路由器、CT模块和测温局放读取器的均与电源连接，环境温度传感器安装在开关柜内，且环境温度传感器的信号输出端与数据网关的信号输入端连接，数据网关的SAW信号输出端与测温局放读取器的信号输入端连接，数据网关的CT信号输出端与CT模块的信号输出端连接。开关柜温度在线监测系统，实时在线监测开关柜触电温度变化；对事故早期预警，通过安排预防性维护，及时排除事故隐患；可以显示和分析开关柜内每个关键电气接点温度数据，为开关柜的维护和检修提供依据。

如图3所示，现有的开关柜包括柜体21，在柜体21内设置有母线室22、集成室23、真空断路器27、电流互感器25和避雷器24，在真空断路器27上设置有上触臂和下触臂，其中上触臂和与母线连接的静触头26触碰，下触臂和与电流互感器25连接的静触头26连接，在本实施例中，数据网关3、环境温度传感器4、4G路由器5、CT模块2和测温局放读取器6均位于集成室23内，为便于柜体21内温度数据的采集，在进入柜体21的电缆上安装有电缆测温传感器28，上触臂上安装有上触臂测温传感器30，下触臂上安装有下触臂测温传感器29，在母线室22内也安装有母线室测温传感器31，电缆测温传感器28、上触臂测温传感器30、下触臂测温传感器29和母线室测温传感器31检测到的温度都传输给环境温度传感器4，具体的是电缆测温传感器28、上触臂测温传感器30、下触臂测温传感器29和母线室测温传感器31的信号输出端与环境温度传感器4的信号输入端连接。

图2在线监测系统现场终端图图3开关柜内测温元件安装布置图

在线监测系统工作时，电磁波接收装置64首先接收射频信号读写装置发送的电磁波。随后压电基片61上的换能器（IDT）将电磁波能量转变为机械能产生声表面波，声表面波在传播过程中形成谐振并反射，期频率因为温度变化而发生变化。最后，反射的声表面波通过换能器将包含温度信息的电磁波发回读写装置。并处理得到相应的温度数值，以及显示出来。

2.1环境温度传感器

本装置设置了环境温度传感器，监视开关柜所处环境内的温度，用于计算温升与环境温度之间的关系。同时对比运行状态的温度与环境温度之间的关系，从对比分析出环境温度与测温点的温度变化的规律。

2.2夹式CT

本装置采用了精度为0.5s的夹式CT用于还原开关柜内的一次电流大小。从而可以通过软件绘制关于电流、温度之间关系的曲线。从而可以根据温度的与电流之间的关系进而调整开关柜的负荷情况。避免由于过热过流、过热导致非计划性停电。

2.3Saw（声表面波）传感器

本装置的传感器采集温度的技术为声表面波技术，此技术的优点为传感器无需供电且传感器无线，避免电池耗尽无法更换且与高压设备发生放电。利用声表面波（SAW）的弹性波段，通过电能和声能可以互相转换，声波在密闭的空间里反射形成一种谐振波段，利用该谐振波的谐振频率与温度的关系，获取声表面波的频率，并得到精确的被设备搭接点相应的温度数值，通过技术分析显示出来。

2.4数据采集网关

数据采集网关负责采集开关柜温度，开关柜局放，环境温度，一次电流数值，并将数据以485的形式采集，然后转成TCP/IP格式数据，并可以将数据转发。

2.54G路由器

采用4G路由器将网关汇总的数据发送到互联网，用户使用APP访问当前测量的数据或者通过浏览器访问数据。这种模式避免铺设485通信电缆而停电。

2.6测温局放读取器

测温局放读取器与天线建立通讯，采集从天线读取的温度局放数据。读取器对采集上来的数据做进一步的计算，将温度、局放信息计算成10进制的数值。最后将数据处理成标准的ModebusRTU数据模型，便于与其他设备进行通讯。

针对上述问题，从应用最可靠的Saw传感器作为温度采集的核心器件，由于传感器无源无线不会造成其余额外的风险。且读取器的高扩展性可以将多台开关柜测温产品以现场总线的方式串联。最终将数据发送到互联网，多用户可以同时查看每1分钟采集上来的实时数据，避免日常巡检时间以外由于温度过高造成设备跳闸。

采用无源无线测温，局放在线监测系统能够实时，准确监测开关柜的温度，一次电流，局部放电等信息，可以有效避免由于各种原因造成的非计划性停电。

2.7云端数据分析

基于iSAW表面声测温线监测装置系统模型分为三层，第一层底层数据采集层，第二层数据处理层，第三层数据分析决策层，通过后台云端APP远程分析软件进行数据分析统计。

a、数据存储系统，每分钟采集一次现场开关柜的测温点温度、电流、环境温度等信息实时数据，并将数据存储在云端服务器。

b、数据自动分析计算，4G路由器将读取器处理过的数据发送到云端服务器，服务器内置的一系列模型算法对高温，温升，相间温差，局放大小等关注问题做进一步分析。并把时时数据存储在云端服务器，生成温度随时间的变化曲线，电流温升-曲线曲线，电流-温度曲线

c、手机终端APP远程实时监控（设备温度、设备局放、负荷电流、环境温度、环境湿度）监测分析数据主动预警，自动上报缺陷。后台系统将根据各种算法将温度，温升，局放量，相间温差按照南网的要求分为，自动上报一般缺陷，重大缺陷，紧急缺陷预警信息，如果温度达到缺陷标准，系统将会按照已设定好的缺陷等级将以短信的形式或者APP提示消息发送到手机。

五、现场安装调试

5.1开关柜温度在线监测就地终端安装

图4在线监测系统终端现场安装布置图

就地终端安装在10kVKYN铠装高压开关柜上柜门上，各模块元件现场打孔安装，现场布线，为不影响现场其他系统电源，监测系统电源通过加热照明回路提供一路220V直流电源。

5.2测温传感器安装

触头测温传感器安装在手车动触头上下触臂上，离动触头越近越好，现场并使用3M#69号耐高温胶带缠绕固定，再用热缩材料进行包裹；电力出线侧温传感器安装于电力电缆与铜母线搭接的螺栓上，安装时用螺栓可靠固定。

图5断路器触臂测温传感器安装位置

一个开关柜体内不能出现相同的传感器编号（例如：07F，07G）。我们推荐的传感器编号分配方式：举例：220东郊变电站10kVⅡ段3组电容器023开关柜A，B，C三相的传感器安装方向，位置尽量保持一致。如下图所示，所有手车触臂上传感器均朝上安装。

图6上下触头传感器安装位置图图7高压出线电缆传感器安装位置图

5.3天线安装

天线底座采用强力磁铁吸盘，天线能可靠的固定于开柜内断路器手车室内任意地方，天线的安装位置应该与带电体安全距离要保持在12.5cm以上，为到达最佳的型号接受强度，建议测量距离，天线安装位置需多次进行调整安装，确保所有测温传感器接收到最佳信号，天线底座的固定位置尽量远离带电体。

图8天线安装位置图

5.4同轴电缆安装

同轴电缆尽量走线槽，若没有线槽尽量根据现场情况将电缆固定可靠。例如：通过轧带将同轴电缆固定到带孔的侧壁，在满足安全距离的前提下，尽量做到同轴电缆走线横平竖直。读取器及其DC电源安装要求，读取器通过导轨安装到电气小室，所有柜体的安装方式要一致，以达到美观的效果。

5.5调试信号要求

每只天线负责接收3只传感器信号，Port1负责接收08G10C12C3只传感器，Port2负责接收02C04C06C3只传感器。确保输入到软件中的编号与现实情况一致。现场安装情况：每个传感器信号强度必须达到3格绿色。每调试一台设备，需要将信号强度的软件显示界面拍照或者截屏等方式记录，以便后期使用。每台设备在什么样的现实环境下调试有必要写清楚。推荐写到截图的文件名内，以便知道设备调试时候处于那种状态，以便后期分析问题。

图9现场温度传感器信号调试

六、声表波（SAW）测温技术的优越性。

声表面波（SAW）器件作为传感器，传感器安装在被测点上，无需连线即可将被测点的温度信息传送出去。而传感器本身无需电源供电、亦无需从电力装备上感应取电，因而具有突出的安全性、可靠性和可维护性。该技术属于高电压设备安全在线监测方面的一项颠覆性技术，是智能电网高压设备实时温度检测技术上的突破。

表1不同测温技术特点对比分析表

七、声表波（SAW）测温在线监测装置系统解决的问题。

利用表面波（SAW）器件作为无源传感器，开发了一套温度在线监测装置系统，该技术属于高电压设备安全在线监测方面的一项颠覆性技术，是智能电网高压设备实时温度检测技术上的突破。能实现无源检测设备运行温度实现免维护，能在高温区持续检测设备温度变化，通过手机短信方式发送设备发热温升率数据信息和缺陷等级报警信息，及时了解设备发热情况，降低运行人员工作量及减少巡维人员人工成本，于智能电网，室外电缆接头，手车式（固定）断路器柜、高压母线搭接头等运用其原理实现远程手机终端实时监控温度变化，主动式预警自动上报设备发热及局放异常等缺陷。

1、通过声表面波（SAW）器件作为传感器（用于替代电池），后期无需停电对传感器更换电池，通过无源采样提供的连续不断的温度信号传送，实现温度传感器免维护。声表面波传感器跟系统设计寿命为15年。

2、实时在线监测开关柜触电温度变化；对潜在事故早期预警，通过安排预防性维护，及时排除事故隐患。

3、通过后台温度数据统计分析，通过手机短信方式发送温升率数据信息和缺陷等级报警信息，让巡维中心运行人员及时了解设备发热情况

4、温度在线监测系统可以显示、记录和分析开关柜内每个关键电气接点温度数据，为开关柜的维护和检修提供依据；根据运行数据合理安排预知性维护方案，以减少开关柜的停机时间，提高开关柜的使用效率。

5、跟以往有源半导体测温传感器对比，承受耐热温度不高的问题，声表面波传感器能实现高温区持续运行的特点，能够在开关柜和母排发热后持续的高温环境下运行。

6、通过对运行中的开关柜加装IS485温度在线监测系统，可以更好地了解当前开关柜的运行状态，从而合理的安排生产负荷、提高生产效率。另外，通过合理安排预知性维护方案，延长已运行开关柜的使用寿命，合理安排开关柜的更换同期。

7、温度在线监测系统可以帮助研究开关柜内的大电流、高电压，高温、高湿、强电磁干扰等诸多苛刻因素对开关柜运行安全的影响；研究开关柜在正常和异常工作状态下：负载电流、环境温度、以及设备老化等相关因素与发热触点温度变化的规律关系。根据这些规律来优化系统配置和报警设置。

八、技术的应用前景

现代社会对电能的依赖性极高，用电密度越大的地区对电的依赖性越高，因而对供电设备的可靠性提出了越来越高的要求。作为目前普遍使用的手车式KYN高压开关柜，断路器与开关柜之间采用动静触头联接，当小车与开关柜因制造、运输及安装不良等都将引起触头接触不良，在安装环节静触头座或者动梅花触头压紧弹簧脱出，导电臂固定螺栓松动，都会接触电阻增大，出现触头温升过高，甚至触臂烧毁造成非计划停电，这些现象在大电流开关柜如进线柜上尤为突出，且影响极大。电力系统高压设备在长期运行过程中常出现表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动，触点和母线排连接处老化等问题，造成设备过热甚至出现严重事故.而开关柜内有裸露高压，空间封闭狭小，无法进行人工巡查测温，传统的测温方式都无法有效地解决这个问题。通过声表波（SAW）测温在线监测装置系统的应，可以彻底的解决此项问题，声表面波测温技术的应用领域不仅可以用在电力系统高压开关柜，还可以拓展至电力设备如：隔离开关，断路器，干式变压器、箱式变电站、环网柜、发电机和母线槽等的无线测温监测，而且许多非电力行业也开始采用SAW测温技术。

九、结论及展望

根据以上理论和试验论证，采用基于声表波（SAW）无源无线测温局放在线监测系统可以在24小时无盲区、实时监测开关柜的运行情况。从而避免人员定期巡检之间间隔，出现开关柜发热而导致开关柜过热故障，造成非计划性停电。本系温度在线监测系统还内置南网对于开关柜温度、局放、温升、相间温差的报警算法，按照一般缺陷，重大缺陷，紧急缺陷分类，并通过手机APP推送报警消息或者将报警信息以短信的方式发送到相关人员手机。实现主动式故障预警，通过互联网+的手机APP终端实时监测设备温度、局放参数变化，手机短信方式自动发送设备发热温升率数据信息和缺陷等级报警信息，大大的提高了高压开关的运行安全，减少了变电站运行人员定期人工测温巡检产生的人工成本，彻底解决因高温过热引起的开关柜事故事件的发生。

参考文献：

[1]变电站设备在线监测技术工程应用.贵州电网有限责任公司，2014年12月.

[2]开关柜无线测温前置传感器安装布点指导意见（试行）.云南电网公司，2012年9月.

[3]邓世杰．中置式开关柜的无线测温方法［J］．高压电器，2010年11月.

作者简介：

杨彪（1983—），男，云南省昆明人，变电检修高级技师、工程师，大学本科，从变电检修变压器、断路器等故障诊断分析和检修管理工作11年；云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明市官渡区650020联系电话：15825250925

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