无线测温系统技术在配电柜的应用

无线测温系统技术在配电柜的应用

摘要:随着企业生产规模的扩张,用电负荷逐步增加,给电缆安全运行带来隐患,本文主要通过现在成熟的无线测温技术,解决实时检测电缆中间接头温度的问题,保证电缆安全平稳运行。

关键词:电缆;无线测温;中间接头;传感器;性能指标

1 电缆中间头温度升高故障的后果

近年来,诸多用电设施环境因为电缆着火引起的火灾事故频繁发生。据不完全统汁,全国近十年来发生因电缆着火蔓延成灾的重大事故逾百起,累计烧毁电缆32万多米,恢复重建工作耗资大,费时长,数据损毁,造成不可估量的损失。电缆火灾事故还有其特殊的危害,那就是控制回路失效造成事故扩大,甚至损坏主设备,而且修复困难,长时间不能恢复生产。

电缆在企业供电中充当着重要能源输送角色,电缆中间头无处不在,由于电缆中间接头是由人工在现场安装完成的,受到施工环境和运行环境的影响,可能会因为安装失误、外力破坏、电缆进水等原因造成击穿和爆炸事故。在电缆接头发生击穿和爆炸事故时会释放出大量的能量,对周边其它电力设施或人员造成危害,会导致生产系统停电瘫痪,且抢修恢复周期长,经济损失巨大。

2 电缆中间接头现状及存在问题

动力厂承担着公司电缆线路的运行和维护任务,在长时间的运行维护过程中,发现公司新区电缆中间接头的运行维护存在很大的问题:

1. 投运时间长,新区现有电缆中间头投运时间为2004年,至今已达17年,绝缘老化,故障率增高。

(2)分布广,新区分布着22个电缆中间接头室,每个接头室之间距离不等,有的近有的远,巡检测温时间长,浪费人力较多。

(3)数量多,22个电缆中间接头室共有电缆中间接头383个,平均每个电缆中间接头室有17个电缆中间头,有36个电缆中间头,互相交叉,电缆测温难度大,不能准确及时检测电缆头温度,为安全运行埋下隐患。

(4)人员少,电力设施一直在增加,但巡检人员一直未增加,逐年减少,设备线路多,人员少存在矛盾,对电缆中间接头室的巡检频次减少,不能及时发现电缆运行中的温度变化。

3 电缆中间接头无线测温技术应用

针对存在的问题,提出了解决办法,安装一套电缆中间头无线测温系统,既可以解决人员少不能保证检测频率问题,又能实时监测每个电缆中间头工作温度,并将检测结果上传至长钢站后台系统,当某个电缆中间头温度达到70度时,报警提醒变电站值班人员,并及时通知巡检工到现场检查处理,必要时停电更换中间头,避免了因中间头温度过高,电缆击穿,导致电缆着火停电等重大事故发生。

(1)电缆中间头无线测温系统的组成。电缆中间头无线测温系统是由温度传感器、温度监测器、通讯网络、在线监测软件平台四部分组成。

发电行业是个庞大复杂的工业生产系统，大量使用中低压开关柜、高压电动机、变压器等电气设备，对自动化程度和连续生产的高要求，不仅对其供电可靠性要求越来越高，而且对发电行业系统内关键的配电及高压电动机设备的稳定可靠性也提 出了更高的要求。电气设备在长期运行过程中，电气一次模块触点和连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，进而导致接头异常升温甚至引发燃爆事故。电厂电气设备安装密集，电动机也都是各工艺段的关键设备，此类设备损坏及引起的事故可能会引发下游大范围供电线路或重要用电设备突然 停电,造成巨大的直接和间接经济损失。

近年来，传感器及物联网技术，设备的在线监测，及大数据分析等技术的快速发展，结合发电行业的特点及需求，新技术的研究与应用对解决此类问题提供了新的方案

1关键新技术的研究

针对上述提出的问题，结合温度传感器,Zig­ bee 无线传输，云应用及大数据分析技术现状，提出了多种新技术的解决方案，并结合实际需求提出应用方案。

1.1温度传感器选择

传统的测温方法包括通过热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温，温度传感器与测温仪之间采用金属导线传输温度信号。由于温度传感器直接安装于高压接点、触点上，其传输温度信号的金属导线的绝缘性能无法保证，同时，对于改造类项目，实施难度较大。目前无线测温方法包括感应供电无线测温、CT取电测温、电池供电无线测温方式及红外在线测温方式。各无线测温技术性能比较如表1所示。

相比其他测温方式，感应供电测温具有测温速度快，周期短,免维护，使用寿命长，故障率低等特点。

1.2无线传输技术选用

无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，其中应用较为广泛及具有较好发展前景的短距离无线通信标准有Zigbee,蓝牙(Bluetooth)、无线宽带(Wi-Fi)、超宽带(UWB)和近场通信（NFC）。

其中，Zigbee技术是一种具有低速率、近距离、低功耗、低复杂度、通信可靠、网络容量大等特点的无线通信技术。Zigbee协议由IEEE802.15.4任务小组与Zigbee联盟共同制定，其PHY层和MAC层采用IEEE802.15.4协议标准，网络层由Zigbee联盟制定，应用层则允许根据用户的应用需求进行开发。

Zigbee有三个工作频段,本项目采用的无源测温传感器采用2.4 GHz频段,该频段的数据传输速率为250 Kbps,其分为16个信道，目前为全球通用，且免申请免付费。在通信上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式，有效避免了无线电载波间的冲突，并采用密钥长度为128位的加密算法对数据进行加密，确保了通信数据的安全保密性。并且，Zigbee设备能耗低，发射输出为0~3.6 dBm[3IoZigbee支持星形和网格对等两种网络拓扑结构。实际应用可将两种拓扑结构结合，使用混合型网络结构，簇树状网络结构，其网络示意图如图1所示。

簇树状网络中，采用分布式地址分配方案来分配网络地址,即为每一个父设备分配一个有限的网络地址段，并由父设备分配给其自身。对于给定深度的节点,作为父设备所能分配的自区段地址数为Cskip(d),计算公式为

利用Cskip(d)作为偏移，向子设备分配网络地址。父设备为它的第一个子簇头设备分配一个比自己大1的地址，随后分配给子簇头设备的地址将以Cskip(d)为间隔，以此类推为所有的子簇头分配地址。

1.3移动互联网与云技术选用

传统的系统监控及运行一般以集中式或者分布式的SCADA系统应用为主，并在控制室内由操作员及工程师使用。随着移动互联网及智能手机的发展和应用，通过传感器监测到的关键设备的各种实时数据也可以通过无线网络传输到远方云服务器，特别是对于区域广，布线困难的区段,数据的获取将会变得更加方便和容易。其二，传输到云服务器上的数据比起传统专门的服务器存储，成本更低，可靠性更高，供不同用户使用更方便。其三，通过无线网络传输到云服务器的数据，可以通过智能手机的APP显示出来,并通过不同的功能模块定制

化实现。其四，根据不同用户的需求和设备使用情况，可以对存储的数据按照既定算法进行数据分析，及早通过数据对比发现异常数据，并给予用户提示或者告警信息，减少及降低设备故障甚至事故的发生。

2具体应用方案

常见的两台60 MW或者100 MW机组的火电厂，一般使用数百台中低压开关柜及使用大量的辅机电动机，对开关柜及高压电动机关键部位进行智能测温改造。经过技术对比,使用无线无源“温度传感器+Zigbee”温度监测系统，准确地采集关键设备及设备关键部位的温度信号，通过智能网关，可以接入既有的光纤通信网络，实现网络及数据共享，通过控制中心的无线测温监测系统，实现温度信号的实时监测，超温部位及设备定位，超温报警，保证关键设备寿命及生产连续性，减少及避免潜在事故的风险。并且，依靠云服务及边缘系统的云边协同，实现了测温信号的移动运维，不仅可以通过智能手机监测到关键设备的温度信号，并能 在超温时自动发出报警信号，及时推送到具体负责 人员的智能手机终端，实现高效的问题处理，较大地降低配电柜设备事故风险，保证供电可靠性、生产连续性及安全生产。初设应用方案的基本架构如图2所示。

2.1无线无源“温度传感器+Zigbee”

经过技术对比，选定Easergy TH110温度传感器,其主要性能参数如表2所示。

Easergy TH110自供电基于网络电流，与测量点直接接触可以确保高性能的、准确的温度监测。并且,TH110非常小巧不占用空间，便于安装调试及后期维护。

TH110采用Zigbee节能型通信协议，Easergy TH110确保有可靠和强大的通信能力，可以用来创建共享的操作解决方案的图片及在项目应用中的场景如图3所示。

建议比较重要的工艺段相关配电室开关柜及高压电动机都安装TH110的温度传感器，包括各类水泵、风机、浆液循环泵、氧化风机等区间。

2.2测温系统架构设计

由于测温传感器分布区域广，数量多，测温系统架构采用以太网作为主要架构，并可使用既有的视频监控系统网络设备，节省成本及较大地降低施工难度。

——现场的各TH110温度传感器通过Zigbee协议无线传输到温度接收装置。

——温度接收装置通过Modbus RTU通信协议将温度信号传输到各个现场的网关。网关将协议转换为Modbus TCP规约，并经现场的以太网交换机，通过光纤通道传输到控制中心的工作站中。

——现场的千里眼服务器也接入通信网络，将各TH110的测温数据上传到云平台，以供智能手机的千里眼APP使用。

2.3测温监测系统SCADA的设计

测温监测系统SCADA操作员工作站可以置于控制中心内，通过既有网络由现场测温接收装置上传的温度数据。监测工作站可以通过简洁明了的—次系统，清晰地显示各监测点的实时温度数据,及各个区间的具体架构。所有区间测温传感器的历史数据都可以通过SCADA系统显示出来，便于用户与常规温度数据相比较。当传感器测温数据高于设定的报警值，SCADA系统会发出报警指示给操作员，并可以定位到具体的设备及安装部位， 方便工程师去现场进行查看及风险评估，消除潜在故障的风险。

2.4云平台“千里眼”系统的应用

IOT由IT信息技术和OT运营技术深度融合，千里眼APP系统是物联网QT技术的应用体现之一。图4为千里眼APP在其他行业的应用截图。

设计方案中，通过既有电力设备关键部位加装测温传感器，独立测温SCADA系统及千里眼APP 云边端协同应用，实现设备运行数据的进一步透明化,并提高系统管理水平。将电厂内各安装TH110温度传感器的开关柜、变压器及高压电动机关键部位的温度数据进行处理，为配电设备运行状态监 视、运行维护作业管理和设备资产管理提供“互联网+”灵活应用方案。而且，千里眼可以提供报警管理，可以根据严重程度区分不同等级的报警，并通过短信通知用户，让用户在获取报警信息，并可以通过手机APP确认和记录报警事件，筛

选和导出报警信息，形成专门的报告，预防事故及故障的发生。除了智能手机端显示温度型号及提供报警之外，千里眼还可提供资产快查及工单派工的功能，提高用户的运维效率及智能化程度。其他行业的试点应用，监测到了数次设备的异常温度信号，并且及时检修维护，成功避免了重大事故的发生。

3安科瑞温度在线监测系统概述

电气接点在线测温装置适用于高低压开关柜内电缆接头、断路器触头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测，防止在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接点接触 电阻过大而发热成为安全隐患，提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态，降低设备事故率。

Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS 485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通讯，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较大地提高。该系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、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，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

1. 温度传感器。数字式温度传感器,它体积小,电压适用范围宽(3~5V),只有一个数据输入/输出口,属于单总线专用芯片之一。被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰能力。一条测温电缆能带64个温度传感器,距离为1000米。测温总线电缆采用防水阻燃两芯屏蔽双绞线,规格型号:RVVSP2∗0.75mm2。

温度传感器技术参数:

温度测量范围:-40℃~+85℃;

测温精度:±0.5℃;

封装:不锈钢金属壳封装,防水,抗电磁干扰;

数据传输接口:单总线数字信号传输;

外形尺寸:51mm∗26mm∗12mm。

1. 温度监测器。温度监测器具有较高的可靠性和安全性,温度监测器的LED数码显示屏循环显示出每个探测点的温度值,通过RS485方式上传到监控计算机,方便运行人员能够对电缆温度进行准确地巡检,对电缆运行状态能够及时地掌握。一台温度监测器可带两条测温电缆,每条测温电缆可带64个温度传感器,即一台监测器可带128个温度传感器。

温度监测器的性能指标:

工作电压:交流220VAC;

工作温度:-40℃~+85℃;

显示分辨率:0.1℃;

通讯方式:RS-485串口;

报警输出:1个(无源接点)250VAC、0.6A或24VDC、5A。

1. 通讯网络。采用RS485通讯方式组网,可以直接上传到后台计算机。

根据现场情况,采用无线RS485通讯方式组网;

无线485模块特点:可以直接代替有线的RS485网,实现无线485组网;

无线传输距离可选择:1公里,2公里,5公里,不同功率模块可组网;

ISM开放频段433MHz,无需申请频点;具备穿透能力;

通信接口:RS232/RS485,1200/9600/19200/38400bps;

支持多种协议:透明传输协议、Modbus协议;

工业设计:可确保无线485模块工作于各种恶劣环境工业场合长期运行。无线485模块没有后续费用,后期维护方便,当某一个模块故障(比如断电或损坏),不会影响其他无线模块通信。

1. 在线监测软件平台。
2. 无线监测软件由实时数据采集和显示、历史数据和报警数据管理、报警联动等部分组成,它能对分布在不同地点电站实现远程监测、集中管理,对电缆接头室内电缆中间头温度、各种开关量传感器等进行实时数据采集和处理,及时发现问题和隐患,并具有如下优点:

可以根据现场环境位置不同配置各个传感器位置报警提醒迅速直观。

可以对不同地点的机房集中进行管理,对机房电缆层内电缆温度,环境状态、报警信息等进行远程监视,具有良好的扩充性。

系统可以提供声光、手机短信等多种报警方式,保证警情及时发出。

网络断线自动报警、设备工作异常引起数据中断报警。提供精确定位式报警。报警信息查询为用户提供警情的准确位置和状态。

系统具历史数据查询,报警数据查询等各种数据查询功能。

4 现场实施

现场对22个电缆中间接头室383个电缆中间接头温度实时监测,并在变电站建立后台监控中心,每个电缆中间接头安装1个温度传感器,实现电缆中间接头温度无线实时监测,在每个电缆接头室安装一套电缆温度监测器,采集各个电缆中间接头温度传感器数据,并将温度数据通过无线发射到监控主机,实现集中监控,超温报警,温度历史曲线查询等功能。超温报警时,监控主机发出声音报警,并弹窗提示窗口。

5 安科瑞温度在线监测系统解决方案

5.1概述

电气接点在线测温装置适用于高低压开关柜内电缆接头、断路器触头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测，防止在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接点接触电阻过大而发热成为安全隐患，提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态，降低设备事故率。

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讯，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较大地提高。该系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、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，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

5.2应用场所

适合在泛在电力物联网、钢厂、化工、水泥、数据中心、医院、机场、电厂、煤矿等厂矿企业、变配电所等电力设备的温度监测。

5.3系统结构

温度在线监测系统结构图

5.4系统功能

测温系统主机Acrel-2000T安装于值班监控室，可以远程监视系统内所有开关设备运行温度状态。系统具有以下主要功能：

1. 温度显示：显示配电系统内每个测温点的实时值，也可实现电脑WEB/手机APP远程查看数据。

1. 温度曲线：查看每个测温点的温度趋势曲线。

1. 运行报表：查询及打印各测温点指定时间的温度数据。

1. 实时告警：系统能够对各测温点异常温度发出告警。系统具有实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警，告警方式有弹窗、语音告警等，还可以短信/APP推送告警消息，及时提醒值班人员。

1. 历史事件查询：能够温度越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析等。

5.5系统硬件配置

温度在线监测系统主要由设备层的温度传感器和温度采集/显示单元，通讯层的边缘计算网关以及站控层的测温系统主机组成，实现变配电系统关键电气部位的温度在线监测。

名称	外形	型号	参数说明
系统组态软件		Acrel-2000/T	硬件：内存4G，硬盘500G，以太网口。 显示器：21寸，分辨率1280*1024。 操作系统：Windows764位简体中文旗舰版。 数据库系统：MicrosoftSQLServer2008R2。 通讯协议：IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModbusRTU、ModbusTCP等国际标准通信规约
智能通信管理机		Anet-2E4SM	通用网关，2路网口，4路RS485，可选配1路LORA，带电告警功能，支持485，4G从模块扩展。
无线测温集中采集设备		Acrel-2000T/A	壁挂式安装 标配一路485接口、一路以太网口 自带蜂鸣器告警 柜体尺寸480*420*200（单位mm）
		Acrel-2000T/B	硬件：内存4G，硬盘128G，以太网口 显示器：12寸，分辨率800*600 操作系统：Windows7 数据库系统：MicrosoftSQLServer2008R2 可选Web平台/APP服务器 柜体尺寸为480*420*200（单位mm)
显示终端		ATP007 ATP010	DC24V供电；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口； 可接收20个ATC200/1个ATC400/1个ATC450-C。
		ARTM-Pn	面框96*96*17mm，深度65mm；开孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接收60个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
		ASD320 ASD300	面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；开孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接收12个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
智能温度巡检仪		ARTM-8	开孔88*88mm嵌入式按照； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接入8路PT100传感器，适用于低压开关柜电气接点、变压器绕组、点击绕组等场合的测温；
		ARTM-24	35MM导轨安装； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 24路NTC或PT100、1路温湿度测温、2路继电器告警输出，用于低压电气接点、变压器绕组、点击绕组等场所测温；
无线收发器		ATC450-C	可接收60个ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P传感器数据。
		ATC600	ATC600有两种规格；ATC600-C可接收240个ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P传感器数据。ATC600-Z做中继透传。
电池型无线测温传感器		ATE100M	电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米； 32.4*32.4*16mm(长*宽*高)。
		ATE200	电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米； 35*35*17mm，L=330mm(长*宽*高，三色表带)。
		ATE200P	电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米,防护等级IP68；35*35*17mm，L=330mm(长*宽*高，三色表带)。
CT取电型无线测温传感器		ATE400	CT感应取电，启动电流≥5a；-50℃~125℃；精度±1℃470MHz，空旷距离150米； 合金片固定、取电；三色外壳；25.82*20.42*12.8mm(长*宽*高)。
有线温度传感器		PT100	用于低压接点测温时，具体封装、精度、线制、线材、线长与供应商联系； 用于变压器、电机绕组测温时，建议变压器或电机内部预埋好Pt100
		NTC	用于低压接点测温时，具体封装、精度、线制、线材、线长与供应商联系；

6结语

增加电缆电缆中间头无线测温系统后,达到了预期的效果:能够在24小时实时监控383个电缆中间接头的温度,温度信息及时、准确,并能及时发现电缆中间头异常温度,及时抢修处理,避免事故扩大化,保证了383个电缆中间接头安全稳定运行。