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安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：本文介紹了一種針對高中壓配電盤無線測溫與局部放電測量系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)在中海油秦皇島32-6油田海上平臺35kV配電盤和10.5kV 配電盤進行應用，通過母排無線測溫及局部放電監(jiān)測等功能，實現(xiàn)了配電盤內母排溫度和盤內局部放電狀態(tài)的實時監(jiān)測，該技術能夠代替人工進行帶電母排溫度及局部放電進行實時監(jiān)測，大幅降低人員頻繁檢測的勞動強度及電氣安全風險。
關鍵詞：海上油田 母排溫度 局部放電 無線監(jiān)測
0 引言
海上油田電力系統(tǒng)是海上石油平臺的動力命脈和開發(fā)生產的基礎，在整個供配電系統(tǒng)中，配電盤是重要的環(huán)節(jié)之一。由于配電盤一般為密閉系統(tǒng)，散熱條件差，再加上用電設備長期滿負荷甚至超負荷運行，導致發(fā)熱量過大，熱積累加劇，從而引發(fā)破壞柜內設備絕緣部件短路、火災等重大安全生產事故。另外，高、中壓設備絕緣不佳、安裝缺陷及安全距離等原因，將會造成局部放電的發(fā)生，隨著局部放電的發(fā)展，如不及時發(fā)現(xiàn)，很有可能造成盤柜損毀。相較于陸地電力系統(tǒng)，海上采油平臺因空間限制，配電系統(tǒng)無法按照陸地電網(wǎng)配電架構配置足夠的備用設備，特別是在35 KV及以下的中低壓系統(tǒng)，無法實現(xiàn)周期性的倒閘停電檢查與維護，因此實施在線的實時監(jiān)測與狀態(tài)分析就顯得尤為重要。同時，通過實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以為配電系統(tǒng)開展計劃性檢修提供必要的數(shù)據(jù)指導，從而使得停電檢修更有針對性，減少非必要的停產對海上油田穩(wěn)定生產尤為重要。
該系統(tǒng)在中海油秦皇島32-6油田海上平臺35 kV 配電盤和10.5 kV 配電盤進行應用，系統(tǒng)包含了母排無線測溫及局部放電監(jiān)測等功能，能夠便捷、有效地實時監(jiān)測配電盤內母排溫度和盤內局部放電情況，能夠及時判斷威脅開關盤的安全隱患，降低設備事故率，*大限度避免直接和間接經(jīng)濟損失。
1 系統(tǒng)組成與原理簡介
安裝在配電盤無線測溫及局部放電監(jiān)測裝置主要分為三部分：控制箱、無線測溫傳感器、局部放電監(jiān)測傳感器。以本次安裝的中海油海上平臺為例，總計在4面35 kV和25面10.5 kV 配電盤母排和電纜進出線銅排上各設置3個無源無線測溫傳感器，通過不銹鋼扎帶和螺紋膠固定，防止松脫脫落而造成短路風險；每面 35 kV 和 10.5 kV 配電盤內都配有一個有源無線局部放電傳感器，局部放電傳感器安裝貼柜側壁板，由柜內AC220 轉 DC12 V 電源模塊供電。控制箱內安裝有溫度無線接收模塊，用以接收各盤柜內溫度傳 感器傳送的數(shù)據(jù)，控制箱內配有PLC模塊，PLC通過對各模塊尋址讀取各盤柜母排溫度，并通過顯示器進行顯示。控制箱內裝有無線數(shù)傳電臺用以接收局部放電傳感器的數(shù)據(jù)，再通過 SIS413 將 RS232 協(xié)議轉換為 RS485 協(xié)議，由控制箱內 PLC 對局部放電傳感器尋址讀取數(shù)據(jù)進行處理，將局部放電相關數(shù)據(jù)、報警等數(shù)據(jù)在顯示器上進行顯示。如下圖 1 所述關系：
圖 1 線溫度及局部放電測量系統(tǒng)示意圖
1.1無線測溫
無線測溫系統(tǒng)的結構一般包括測溫數(shù)據(jù)采集、通信終端和通信管理三個主要部分構成。測溫數(shù) 據(jù)采集是基于感應式原理，通過傳感器實現(xiàn)對母排重要部位溫度的測量。通信終端對測溫終端發(fā)出命令，將溫度值等信息傳輸?shù)綗o線通信的主要管理部位。通信終端是其他兩個部分的進行交換的主要機構，能夠通過對信息的收集再經(jīng)過無線將信息發(fā)送至測溫現(xiàn)場顯示終端，受到數(shù)據(jù)后再 轉發(fā)給通信管理，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換，也保證了數(shù)據(jù)的完整與可靠。
無線溫度傳感器主要是指放置在各測溫點的無線信號發(fā)送、接收裝置和無線溫度測量裝置，本應用的無線測溫技術，選擇阿米特 AT-Ⅱ-C5 型無線溫度傳感器。每個無線傳感器設置有 ID 編號，將編號存入到計算機數(shù)據(jù)庫中，測量溫度范圍設置為-50℃~125℃。本系統(tǒng)溫度傳感器地址按照16進制進行編碼，無線測溫收發(fā)器通過讀取ID來確定當前傳感器采集溫度值。傳感器結構、安裝方式如圖 2、3。
圖 2 溫度傳感器
（1-溫度傳感器主體；2-合金底座，與溫度探頭接出；3- 鎖扣，用于固定合金片；4-取電合金片，用于感應取電； 5-配件，用于支撐合金片；6-合金片安裝孔，用于安裝合金片）
圖 3 測溫傳感器安裝位置（紅圈所示）
圖 4 溫度接收單元及接線端口
測溫通信終端在實際使用過程中主要負責接收無線溫度傳感器傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到遠程管理計算機工作站中。為了提高終端的響應速度，通常一個終端*多管理 100 個測溫探頭。溫度在線監(jiān)測工作站，主要是指一臺裝有管理終端的計算機，計算機通過 RS485 串口或者互聯(lián)網(wǎng)與測溫通信終端建立連接，實時對各監(jiān)測點運行溫度數(shù)據(jù)進行監(jiān)控比對，對監(jiān)測點的溫度變化曲線進行分析，一旦發(fā)現(xiàn)溫度過熱和急劇升高，立即報警。
1.2 局放監(jiān)測
當絕緣材質發(fā)生局部放電時，放電效應會對周圍材質進行不斷侵蝕，*終導致整個絕緣系統(tǒng)的失效，進而對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行造成威脅。因此了解好局部放電的產生原理和類型，利用合適的檢測方法對其檢測，做好預防工作，避免發(fā)生嚴重事故。
局部放電監(jiān)測主要通過暫態(tài)對地電壓監(jiān)測和超聲法監(jiān)測兩種方式綜合判斷。
1)暫態(tài)地電壓監(jiān)測原理：
當局部放電活動出現(xiàn)在高壓配電盤當中時，它會產生無線電頻率范圍內的電磁波，它可以通過金屬外殼上的開孔，從配電盤內泄漏到外表面。這些開孔可以是外殼或密封墊圈或其它絕緣部件周圍的間隙。
當電磁波傳播到配電盤外面時，它會在接地的金屬外殼上對地產生暫態(tài)電壓。暫態(tài)地電壓 (TEV)在幾個毫伏至幾伏的范圍內，存在時間很短，只有幾個納秒的上升時間。可以在配電盤正在工作時，將探頭放在配電盤的表面，采用這種非侵入方式來檢測局部放電活動。
2)超聲法監(jiān)測原理：
介質發(fā)生局部放電時，其瞬間釋放的能量使分子間產生劇烈碰撞，并在宏觀上形成一種壓力產生超聲波脈沖，此時局部放電源如同一個聲源， 向外發(fā)出超聲波。由于放電持續(xù)時間很短，所以其發(fā)射的聲源頻譜很寬，可以達到數(shù)百千赫茲， 另外由于超聲波波長較短，因此它的方向性較強， 從而它的能量較為集中，可以從配電盤縫隙處檢測到有效的超聲信號，進行對局部放電的診斷。 利用以上兩個基本原理制成的監(jiān)測傳感器，能有效實現(xiàn)對局部放電的實時監(jiān)測。
圖 5 無線數(shù)傳電臺
如圖 5 所示，無線數(shù)傳電臺的主要作用是接收無線局部放電傳感器的數(shù)據(jù)，通過SIS413協(xié)議轉換器將 RS232 轉換為RS485，然后將數(shù)據(jù)傳給PLC進行處理。以下為各端口說明：
1-SMA 天線接口，外螺內孔
2-模式選擇撥碼開關
3-DC 電源接口（5.5*2.1），接 DC8~28V 電 源，（3 和 6 同時只接一個）
4-RS232 接口（RS232 和 RS485 同時只能 用一個）
5-RS485 接口（RS232 和 RS485 同時只能 用一個）
6-DC 電源接口，接 DC8~28V 電源（3 和 6 同時只能接一個）
7-電源指示燈
8-串口發(fā)送指示燈
9-串口接收指示燈
如圖6，控制箱主要功能為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉發(fā)、報警顯示、數(shù)據(jù)顯示等功能。控制箱內配置有PLC、無線測溫收發(fā)器、無線數(shù)傳電臺等關鍵器件，PLC 通過對無線溫度收發(fā)器和無線數(shù)傳電臺對現(xiàn)場各無線溫度和局部放電傳感器固定的16進制地址進行尋址讀取，然后由PLC對數(shù)據(jù)進行處理。顯示器主要將PLC 處理的結果進行顯示。
圖 6 母排無線測溫及配電盤局部放電監(jiān)測控制箱
2 系統(tǒng)優(yōu)點
2.1 數(shù)據(jù)準確，即時傳輸，能夠識別參數(shù)變化趨勢
無線測溫傳感器直接包裹在母排上，保證母排溫度的采集數(shù)據(jù)更加真實準確；同時局部放電監(jiān)測是通過暫態(tài)對地電壓監(jiān)測和超聲法監(jiān)測兩種方式綜合判斷，并且局部放電探頭放置在盤柜內部，相比于之前的局部放電儀外部測量也更加準確。此系統(tǒng)將母排溫度和局部放電的數(shù)據(jù)通過無線溫度和局部放電傳感器都傳輸?shù)?PLC 內進行處理和計算。顯示器將各母排溫度和盤內局部放電即時數(shù)據(jù)、報警信息、變化曲線情況都清晰的展現(xiàn)出來。
2.2 安全且高效的智能化采集代替人工測量和檢查
傳統(tǒng)的熱成像和局部放電測量，都是要通過熱成像儀和局部放電儀進行人工測量，而且是每個月才進行一次，非常的費時費力，并且都是在外部，數(shù)據(jù)采集干擾因素很多，數(shù)據(jù)往往不夠貼近現(xiàn)場的實際情況。熱成像只能通過觀察孔檢測， 數(shù)據(jù)正確性差，只能通停電并拆開柜門檢修外觀和緊固檢查，不能準確判斷設備發(fā)熱狀態(tài)。通過配電盤無線測溫及局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的應用，不僅實現(xiàn)了溫度和局部放電實時監(jiān)測，同時也大大的節(jié)省了人力，很大的方便了現(xiàn)場的工作。另外， 通過無線局放實時監(jiān)測，避免人員開蓋檢測而造成的觸電風險。
2.3 無線傳輸，保證了高中壓配電盤的完整性和安全性
對原配電系統(tǒng)改造升級后，盤內溫度和局部放電傳感器全都采取無線傳輸方式，避免了對增加的電纜擊穿對高中盤母排安全運行造成安全威脅。另外，無線傳輸，無需對盤柜開孔，保證了盤柜的防護等級和本質安全。該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)設備潛在的隱患，一旦發(fā)現(xiàn)影響設備正常運行的隱患，現(xiàn)場將制定整改計劃，及時糾正設備狀態(tài)，提升高中壓盤安全性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)作為高中壓盤實時“體檢醫(yī)生”，可以避免因為未察覺的重大隱患而導致配電盤損壞，從而避免了因生產電力系統(tǒng)故障，給能源企業(yè)造成巨大損失。
3、安科瑞溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案
3.1、概述
電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監(jiān)測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續(xù)、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進行通訊，系統(tǒng)設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統(tǒng)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(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。
3.2、應用場所
適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監(jiān)測。
3.3、系統(tǒng)結構
溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖
3.4、系統(tǒng)功能
測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠程監(jiān)視系統(tǒng)內所有開關設備運行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：
1）溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內每個測溫點的實時值，也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠程查看數(shù)據(jù)。
2）溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。
3）運行報表：查詢及打印各測溫點指定時間的溫度數(shù)據(jù)。
4）實時告警：系統(tǒng)能夠對各測溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。
5）歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析等。
3.5、系統(tǒng)硬件配置
溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網(wǎng)關以及站控層的測溫系統(tǒng)主機組成，實現(xiàn)變配電系統(tǒng)關鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。
4 結語
母排無線測溫及配電盤局部放電監(jiān)測系統(tǒng)作 為主動監(jiān)測電氣設備局部放電及溫度檢測系統(tǒng)， 其抗干擾能力強，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，同時能夠提供 多種報警方式。母排無線測溫及配電盤局部放電 監(jiān)測系統(tǒng)的*大優(yōu)勢在于，能夠全天候實時監(jiān)控 配電盤母排溫度及內部局部放電情況，真實反映 出設備運行狀態(tài)。當發(fā)生異常情況時，現(xiàn)場人員 可以及時對設備進行干預，大幅降低經(jīng)濟損失及 事故發(fā)生幾率，保證了電氣設備的平穩(wěn)運行，具 有較大的經(jīng)濟和社會效益，將助力我國海上油田 油氣開發(fā)生產事業(yè)。
參考文獻
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[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022年05版.
作者簡介
尤兵兵，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電監(jiān)測的研究與應用。
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