淺談溫度在線監測技術在油田變電設備中的應用與研究
發布時間：2021-04-28瀏覽次數：1081返回列表
李茜
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：在變電設備的運行過程中，故障發生前都會有明顯的異常溫升特點，如果發現不及時，就會造成嚴重的事故，因此溫度是變電設備運行中需要著重監測的一個重要參數。采用溫度在線監測系統，將溫度傳感器安裝在高壓設備的被測點上，由溫度監測裝置向溫度傳感器發射詢問指令脈沖并接收測量點溫度數據（同時具備超溫報警功能），再通過RS485串行通信口與監控計算機相連，可實現對電氣設備各連接點溫度的實時監測，使變電運行人員能夠及時發現設備缺陷并采取有效措施。采用該系統對保障設備運行、提高供電可靠性具有重要的意義。
關鍵詞：變電設備；異常溫升；溫度在線監測；報警
0 引言
由于油田6（10）kV配電線路的供電距離長、設備元件多、用電負荷大，且大多連續運行，這決定了對線路進行供電的變電所的電氣設備在運行中具有負荷重、電流高等特點。在這樣的條件下，當變電設備發生連接部位螺絲松動、各部分元件接觸不良等情況時，由于大電流持續通過設備溫度會異常升高，使電氣設備材料性能變差，如果不能及時發現并進行維修，就會因設備過熱焊點熔化造成嚴重的事故。也就是說，高壓設備在故障發生的同時會有溫度明顯升高的特征，因此，在高壓設備的運行過程中對其溫度參數的監測是非常重要的。
1 變電設備常見的異常溫升
1.1全封閉電氣設備的異常溫升
近年來，油田變電所逐步推廣全封閉電氣設備，即將高壓斷路器、隔離開關、互感器等高壓元件進行組合，裝入金屬封閉柜內，如GIS組合電器和KYN系列鎧裝高壓開關柜等。在全封閉電氣設備運行時，如柜體內部設備出現局部放電，會引起導體連接處異常溫升，由于發熱位置隱蔽，運行人員無法及時發現。這樣易使故障擴大，致使電氣元件擊穿燒毀且波及相鄰設備單元，造成惡性停電事故。
1.2高壓斷路器的異常溫升
在高壓斷路器正常運行時，長期通過的工作電流產生的能量轉變為熱能[3]，使電氣材料溫度升高但不會超出規定范圍；當導電回路不正常時，會使電氣材料溫度升高超出規定范圍，加速動、靜觸頭的氧化，使接觸電阻變大，這樣又使發熱溫度進一步增加，而使電氣材料的機械性能、物理性能下降。當溫度超過材料的熔點時，將使兩觸頭熔焊，導致斷路器無法實現開斷的電氣事故。例如：變電所（開閉所）的金屬鎧裝封閉開關柜均采用小車式斷路器，當手車插頭推入時，如推入時力度不夠或未搖到位，將造成動、靜插頭插入處接觸不良引起過熱，在運行過程中觸頭熔化，會引發相間短路，導致開關整體燒毀的惡性事故。
1.3導體連接處的異常溫升
變電所的各個電氣設備間的連接主要靠螺絲進行壓接，還有與主母線、分支母線進行連接等多種方式。由于受到電壓等級的限制，需要考慮對地距離的要求，以及連接母線的運行，為此加裝絕緣護套并進行了封閉。這樣就使設備間的連接導線存在架設距地面高、封閉性強等諸多不利于運行的特點，如果連接處的螺絲檢修不到位或長時間運行，在風力等外界因素以及運行過程中電動力的振動引起螺絲松動、氧化，造成母線連接處因接觸電阻過大而出現接點過熱，會引發全所或整段母線大面積停電的惡性事故。
2 常規溫度監測手段
對于電氣設備在運行中存在的異常溫升現象，為防止溫升導致事故，在日常運行中，油田變電所大多采用在運行設備上貼測溫片和紅外測溫儀的方式定時巡視檢測溫度。
2.1測溫片
測溫片的顏色隨被測試點溫度的變化而變化，根據其顏色即可判斷被測點大致溫度，優點是操作簡單，成本低廉；缺點是準確度低、可靠性差（憑個人經驗來判斷溫度）。用測溫片測試溫度的方法是將其貼于裸露電氣設備連接點，監測其溫度變化，只有在運行人員巡視設備時才能發現過熱缺陷，存在因設備較高不便于觀察以及受產品有效期限制需定期調換等問題。
2.2紅外測溫儀
紅外測溫儀屬于非接觸式測溫，優點是測量范圍大，準確度較高，可靠性較好；缺點是設備昂貴，且需大量人力定期巡測，無法實現溫度實時在線監測，另外受太陽光的干擾測量誤差大。采用紅外測溫儀對裸露設備連接點進行測溫時，受測量時間以及通過的電流等因素影響，并不能完全發現溫度異常情況，無法做到實時監測，且對封閉開關柜內的接觸點無法進行測溫。
以上兩種測溫方式都不能及時、準確地掌握電氣設備運行時各連接點溫度的變化情況，存在局限性。
3 溫度在線監測技術
3.1技術原理
溫度在線監測系統由溫度傳感器、監測裝置以及集中監控主機三部分組成。其與被測設備連接方式見圖1。將溫度傳感器安裝在高壓設備的被測點上，一般固定在高壓設備、母線或導體連接點、斷路器觸頭等位置，當高壓設備運行時，溫度傳感器自動從高壓設備上感應出微弱的電量，經穩壓處理后提供給測量和通信設備；溫度監測裝置向溫度傳感器發射詢問指令脈沖，溫度傳感器接收后返回測量數據，監測裝置對數據進行解碼計算后得出被測點溫度。如果被測點溫度超過預設的報警值，閃光燈將發出超溫報警信號；監測裝置有RS485串行通信口與監控計算機相連進行數據傳輸，同時可通過GPRS移動通信網或綜合自動化系統將所有監測數據上傳集控中心。
圖1 溫度在線監測系統安裝示意圖
3.2應用情況
某采油廠針對變電所6 kV回路以及負荷較大的進、出線回路安裝溫度在線監測系統，包括溫度傳感器、溫度監測裝置（采集終端）及監控主機，
某采油廠在太南二變電所6 kV所有回路高壓鎧裝封閉開關柜內的開關觸頭連接點加裝溫度傳感器（圖2），通過溫度監測裝置（圖3）對設備各接點運行溫度進行實時在線監測，變電所運行人員從監控計算機中的6 kV無線測溫遙測數據表中就能很方便查看各接點的運行溫度及其變化情況。目前安裝的監測設備已運行3年，應用效果良好，進一步提高了電網管理水平。
圖2 小車開關動觸頭安裝溫度傳感器
圖 3 溫度測溫裝置
某采油廠針對變電所主變壓器低壓側和6 kV注水電動機回路負荷電流大的特點，將溫度傳感器捆綁式安裝在其小車插頭的動觸頭上，將采集到的實時溫度數據通過射頻通信（無線傳輸）方式上傳到測溫采集終端，并可采集多組溫度傳感器的溫度數據，可實時在線監測小車柜內部開關觸頭溫度。在葡一聯、葡二聯、葡三聯變電所安裝10套，目前設備運行可靠數據測量準確，應用效果良好。
2014年5月14日，葡一聯變電所主控室超溫報警閃光燈發出閃光報警，運行值班人員現場檢查發現2號注水電動機7112回路溫度監測裝置超溫報警（圖4）。經查由于值班人員操作時小車開關未搖到位，造成動、靜插頭插入處接觸不良而存在過熱現象，經停電處理后恢復。可見，超溫報警功能可優先提醒運行人員注意并發現缺陷，避免了因過熱造成設備嚴重故障，對設備運行具有重要意義。
圖 4 主控室超溫報警閃光燈亮
3.3效果分析
（1）溫度在線監測技術實現了溫度數據的實時測量，運行人員根據設備運行溫度數據，可直觀判定設備運行是否正常，提高了發現因溫度過熱造成設備缺陷的及時性和準確性。
（2）采集終端（溫度監測裝置）接收到的數據可與設定值對比從而實現超溫報警等功能，有效防止因接觸不良等原因導致設備過熱事故的發生
（3）溫度監測設備安裝范圍可選擇全部安裝或只選擇在大負荷回路安裝，具有選擇性強、靈活方便等優點，還可達到節省投資的目的。
3.4應用范圍
溫度在線監測技術不僅可對斷路器動靜觸頭連接點、母線連接點、隔離開關閘刀觸頭以及其他電氣設備連接點進行實時在線溫度監測，還可用于干式變壓器、高壓電纜接頭等電氣設備的溫度監測，應用前景非常廣泛。
4 安科瑞無線測溫系統介紹與選型
安科瑞無線測溫監控系統是根據當前無線測溫系統的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當前國內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的一款無線測溫軟件。
4.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構
Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通信（如圖5），系統設計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，可靠性和開放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。
Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。
圖5 Acrel-2000T無線測溫系統結構圖
4.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能
■實時監測
Acrel-2000T無線測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節點的溫度數據及有關故障、告警等信息
■溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）
■運行報表
查詢各回路設備運行溫度報表.
■實時報警
壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出告警。
■設備提供以下凡種告警方式：
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警.
C.短信吿警，可以向特定號碼發送吿警信息短信（需選配短信貓）.
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
■用戶權限管理
Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統穩定運行，設置了用戶權限管理功能。
通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。
■定值設置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB（可選）
展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息， 設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數量、回路個數、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數據曲線可監測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。
能耗統計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環比，用電排名。
運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。
■APP（可選）
設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫度數據以及曲線。
4.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產品選型
安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發熱接點，將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統（如圖6）。
圖6 電氣接點在線測溫結構圖
4.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
4.3.2 安科瑞無線收發器
無線測溫收發器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
4.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網通訊的方式在后臺系統查看現場情況。
5 結束語
(1)應用溫度在線監測技術可從根本上消除全封閉的電氣設備各接點溫度監測盲點，解決以往無法檢測的問題。從本質上改變運行人員周期巡視接點溫度的管理模式，提高工作效率，節約人力、物力資源，經濟效益明顯。
(2)可根據溫度在線監測數據判定電氣設備運行情況，進而確定檢修周期及檢修項目，給變電所狀態檢修提供決策依據。
(3)溫度在線實時監測的數據可作為無人值守變電所的設備運行監控的重要節點數據，給變電所的運行監控和缺陷收集提供強有力的技術支持。
(4)溫度在線實時監測可讓變電運行人員及時發現高壓設備故障征兆，提前采取有效措施，這對保障設備運行提高供電可靠性具有重要的意義。
參考文獻：
[1]任春紅.高壓成套開關設備的溫度監測[J].電氣制造,2009(1)：64-66.
[2]田慶書,姜莉,孟媛.溫度在線監測技術在油田變電設備中的應用.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
李茜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統的研發與應用，Email: 3008713918@qq.com，QQ:3008713918
