浅谈开关柜开关触头在线测温装置的研究与设计

摘要：为了对运行中的高压开关柜柜内开关触头温度进行检测，提出一种利用磁场耦合原理获取温度采集部分持续的工作电能，来解决高压开关触头温度在线监测问题，以达到及时发现温度隐患，降低开关烧毁事故的发生，该装置主要由温度采集部分和温度显示两部分组成，二者之间通过无线传输数据，经试验测定，该种方法可以方便准确地测量开关触头的温度，为*消除因开关温升过高引发重大事故提供一种科学有效地解决方法。

关键词：开关柜；开关触头；测温；在线监测

0 引言

开关柜开关触头稳升的监测一直是输变电安全运行关注的重要环节，为确保输变电设备的安全运行，电力行业目前均采用热成像仪等检测设备定期对高压输变电线路的连接点、闸刀等发热部位进行温度扫描，对防止这些部位温升过高、消除事故隐患起到了一定的作用，但是这种检测方法只能定期检测，不能对气体密封的开关柜内部开关触头进行温升检测，不能达到及时消除安全隐患，为了实时检测到气体绝缘开关柜内部开关触头的温升的变化，及时消除事故隐患，提出一种24小时的在线温升测量装置，它不仅可以解决监测发热点温升的实时性问题，提前发现和排除热故障隐患，还可以实现数据远传自动超温警示等功能。开关触头在线式测温方法主要采用电磁耦合方式获得持续的供电电能，利用射频技术向外发送开关触头温度信号，其优点是不需要外接电源，采用自供电方式供电，具有节能等特点，现有的红外测温方法存在的主要问题是需要人工巡检，有时还会受到天气等因素的影响，它无法检测封闭在机柜内的高压开关触点、母线，而且无法实现高压设备和温度在线检测的一体化集成，基于上述要求，设计了一种开关柜开关触头在线测温装置，可以对高压设备发热处连续监测，其优点是准确度高，实时性好，还可以实现对重要设备运行温度远方遥测和遥信，易于连接成监控网络，因此，该种检测方法具有很好的推广应用前景。

1开关柜开关触头在线测温装置的设计

开关柜开关触头在线测温装置主要由开关触头温度采集部分和温度显示部分组成，开关触头温度采集部分包括发射部分电源电路、温度采集电路、发射部分微处理器、无线发射

电路，如图1~2所示。

 图 1 温度采集部分原理图            图 2 温度显示部分的原理图

发射部分电源电路由电流感应线圈、高导磁材料的铁芯、稳压和滤波电路组成，电流感应线圈绕在高导磁材料的铁芯上，具体圈数需根据被测电流值大小按一定比例确定，高导磁

材料的铁芯制成环状用绝缘材料密封后套装在被测开关触头位置，这样电流感应线圈中就耦合出被开关触头流过的大电流，电流感应线圈输出端的两根引线与电压转换模块连接，这

样发射部分电源实现了不需外接电源，利用电磁场耦合原理在高压母线上直接取得能量为采集器提供电能，解决了传统电池供电更换困难，有时无法更换的问题。

2 强磁场的电磁干扰及抗干扰方法

2.1 电磁干扰根源

输电线路电晕放电是产生无线电干扰的根源。高压输电线路在导线周围形成一个强大的电场且导线表面场强较高，当输电线路表面电场强度超过空气分子的游离强度（一般在20～30kV/cm之间），就可听到“刺刺”的放电声，嗅到臭氧（O3）的气味，夜间还可以看到导线周围发出的蓝紫色荧光，这就是电晕放电。电晕放电的基本现象是电荷的脉冲发射方式，在此过程中，自由电荷（即离子和电子）突然形成并且立即被强电场带至导线周围。

2.2 抗干扰措施

高压输电线路的电磁干扰是发送装置的主要干扰源，而电晕放电是产生电磁干扰的主要根源。对于抗电磁干扰问题首先需要选择接收发送模块的合适频率（发射接收频率选为433MHz或315MHz），频率的选择避开了高电晕噪声电平，以及合理地对发送接收信号进行处理，在装置中设置限幅滤波电路等得到工频的有用信号。

3 实施实例

由于传感器测温组件在高电压端，为解决高电压端的测温组件供电问题，必须由一个取一次电流的互感器线圈来提供感应式电源。由于断路器、母线排经常已预先安装连接好，互感器必须通过现场线制的方式来完成取电过程。圆触臂和扁母线的典型绕制取电互感器铁芯的方法。当触臂或母线为扁母排形式时（可以从60~120mm宽度不等），采用直形空心线圈，绕制方法基本和圆母线的方式相同，同样需要穿入热缩套管。收尾时也要用硅钢片将空心的孔隙塞紧，尾端要在线圈的孔中。矩形母线绕制完毕后，有一副专用的尼龙罩壳，将绕制好的互感器从两头套入尼龙罩内，然后将尼龙罩用高温扎带穿入孔中扎紧，则扁母线的取电互感器制作完成，如图3所示。

图 3 线圈绕制石示例图

4 安科瑞无线测温系统介绍与选型

安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款专业的无线测温软件。

4.1 Acrel-2000T无线测温系统结构

Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图4），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件警示、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速警示响应，预防严重故障发生。

Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

图4 Acrel-2000T无线测温系统结构图

4.2 Acrel-2000T无线测温系统功能

■实时监测

Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息

■温度查询

温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）

■运行报表

查询各回路设备运行溫度报表.

■实时告警

壁挂式无线测温监控设备具有实时警示功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。

■设备提供以下凡种告警方式：

a.弹岀事件报驚窗口.

b.实时语音警示功能，能够对所有事件发出语音告警.

C.短信吿警，可以向发送吿警信息短信（需选配）.

■历史告警査询

Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。

■用户权限管理

Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。

通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

■定值设置

用于修改高温定值、超温定值。

■WEB（可选）

展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。

实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。

接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。

能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。

运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。

■手机APP（可选）

设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。

4.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型

安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图5）。

 图5 电气接点在线测温结构图

4.3.1 安科瑞无线温度传感器

无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

  无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。4.3.2 安科瑞无线收发器

  显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。4.3.3 安科瑞显示终端

5 结论 

开关触头在线测温装置利用CT饱和取电技术使温度采集部分，不需借助电池的情况就可以实现测温度采集部分正常工作，温度显示部分可以显示A相、B相、C相上下触头及环境温度的温度值，还具有超温警示，如果超出设置的温度上限值则进行超温警示，提示相关人员进行检修或采取其他相应措施，将问题消灭在萌芽状态，开关柜开关触头在线测温装置在实际使用时温度采集端无须外部提供电源，因此，开关柜开关触头在线测温装置也可应用于户内外高压线路开关温度在线检测中，对高压开关温升故障的预防方面有非常重要的意义。

【参考文献】

[1] 李国定.电磁场理论基础[M].清华大学出版社,2000,8.

[2] 徐荣杰,刘利华,王然冉.输电线周围工频电场的探测问题[J].沈阳建筑工程学院报,1994,10(4):399~405.

[3] 张馨月,陈烁彬,符林贝,孙光远,刘建明.开关柜开关触头在线测温装置的研究与设计.

[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.