开关柜测温系统

1、WSTM-ZTS无源无线开关柜温度监测系统北京紫御湾科技有限公司2010年9月目录1.必要性32.技术优势32.1.传统测温方式面临的问题32.2.无源无线测温的优势43.系统方案44.产品介绍54.1.温度传感器54.1.1.产品外形54.1.2.工作原理64.1.3.技术指标74.1.4.技术背景84.2.测温主控终端114.3.应用软件135.安装规范146.应用领域157.成功案例161. 必要性发电厂、变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要的设备，在长期运行过程中，开关的触点和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致事故发生。近年

2、来，在电厂和变电站已发生多起开关过热事故，造成火灾和大面积的停电事故，解决开关过热问题是杜绝此类事故发生的关键，实现温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段。2. 技术优势2.1. 传统测温方式面临的问题1. 常规测温方式常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式，需要金属导线传输信号，绝缘性能不能保证。2. 与光纤测温的比较光纤温度传感器采用光导纤维传输温度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此光纤温度传感器能够直接安装到开关柜内的高压触点上，准确测量高压触点的运行温度，实现开关柜触点运行温度的在线监测。然而，光纤具有易折，易断、不耐高温等特性。积累灰尘后易

3、导致光纤沿面放电从而使绝缘性降低，且受开关柜结构影响，在柜内布线难度较大。另外，光纤测温的成本也相对较高。3. 红外测温红外测温为非接触式测温，易受环境及周围的电磁场干扰，另外开关柜内的空间非常狭小，无法安装红外测温探头（因为探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面），要求被测量点能够在视野内并无遮掩，并且表面干净以确保准确性。4. 有源无线测温有源的无线温度传感器尺寸通常相对较大并且需经常更换电池，系统维护成本较高。同时，电池不适于在高温状态下工作，特别是高于150摄氏度的工作环境。2.2. 无源无线测温的优势1. 无需电池SAW传感器采用被动感应方式，无需电池驱动，减

4、少了电池更换带来的维护成本，同时不会对生态环境造成影响。2. 安全可靠无线的温度采样方式无需在被测点或相关支撑结构上连线，传感器与接收设备之间无电气联系，从而实现了高压隔离，保障设备安全运行。3. 安装方便灵活无源无线温度传感器体积小且与读入采集器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受开关柜结构和空间影响。4. 环境适应性好温度传感器通过匹配软件的校正后就已经补偿了传感器制作过程中的偏差。传感器可在任何工作温度范围内的温度进行调试，不会受季节因素影响。通常情况下，传感器只在安装后调试一次，并保持多年不需再校正。同时，灰尘堆积等环境因素不会对SAW传感器测温产生影响。5. 低成本SAW传感器的价格

5、较其他传统测温方式较低，同时，无源无线的工作方式令本系统的安装、维护成本大大降低。3. 系统方案一个开关柜安装一组（通常6个）无源无线温度传感器测量各触点温度，这组传感器的温度监测信息的收发和管理由一个读入采集器统一完成。不同的应用场景（如变电站与电厂、户外与户内）开关柜的分布情况、环境都不相同，同一区域内多个开关柜的读入采集器之间可选择通过CAN总线网络或无线自组网进行温度监测信息的本地传输，由一个测温主控终端统一进行本区域内所有开关柜温度监控信息的采集、存储和管理。测温主控终端既通过485或其他数据接口按照指定的标准规约（如103、CDT规约）传入电力专用监控网络，在监控系统中实现远程在线

6、温度监控、分析以及预警。4. 产品介绍4.1. 温度传感器4.1.1. 产品外形塑封温度传感器外观及尺寸（mm）（无连接线）4.1.2. 工作原理温度传感装置由以下部分组成：装在开关柜内测试点的SAW传感器、能无线连接多个温度传感器的读入采集器。读入采集器的天线嵌在开关柜内壁，这样以来可以屏蔽外部的电波干扰。而读入采集器的其他部分（接收箱）则安装在开关柜的外面。因而可以保证在开关柜非通电的情况下也能正常工作。读入采集器由单独的电源供电，并向开关柜内发射短射频信号。如果射频脉冲的频率与温度传感器预设的频率相同，传感器就能收到该射频信号，并且改变和被动地反射脉冲信号。返回的脉冲信号由于受到了传感器

7、自身温度的影响因而携带了传感器的温度信息。l 标准的温度采集过程包括如下步骤：无线读入采集器通过它的天线发射射频脉冲。脉冲信号被传感器上的天线收到后, 通过叉指换能器 (IDT) 在压电感应器的表面激活一个表面波。传感器表面波的频率由于受到传感器本身温度的影响发生了变化。 正是由于频率受温度变化的机制, 使得温度数据测量得以实现。IDT再将表面波的频率振荡转化成射频信号。 此射频信号由读入采集器上的天线收到后进行处理。由于谐振器的高质量特性, 即使访问波具有50Hz的带宽, 也确保了反射回来的信号包含了精确的射频信息。反射回来的射频频率变化与温度的变化成比例关系。4.1.3. 技术指标测温范围

8、：-25C 120C测量精度：+(-)2C频率范围：428 MHz 439MHz（免申请）传输距离：约200cm系统容量：一个读入采集器可输出3个天线信号，可同时读入18个传感器信号传感器尺寸：1.91 cm x 1.50 cm x 0.48 cm读入采集器电源：400mA/5V读入采集器尺寸：8.38 cm x 5.33 cm x 2.54 cm通信接口：CAN/RS485/RS232/USB/无线读入采集器CAN接口接线及引脚功能图CAN1 2 3 4AMP280358-4P连接器引脚功能1CAN H线2CAN L线3GND4+5V DC 400mA4.1.4. 技术背景本系统的无源无线温

9、度传感装置由如下部件构成：一组传感器、一个读入采集器（射频发射/接收器），读入采集器与一个或多个声表面波振荡器的传感器无线连接。l 传感器传感器表面波技术应用了晶体材料的物理特性。晶体的物理特性的改变通过压电感应原理被自动转化成了电信号。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集。l 读入采集器基于振荡器频率变化的无线传感器需要一个合适的读入采集器，目前主要有以下两类：1、 频域型此方法在一个较窄的频率脉冲段内探寻一个特定

10、的频率，然后测量返还信号的功率。通过顺序的探寻一个系列频段，通过内插函数计算来找到返还信号的强度。这样一个峰值的振荡频率就能被确认。这种方法无需昂贵的电子硬件及实时范围采样来到达测量目的。这种测量方法的不足之处在于必须仔细平衡通过自动水平控制（ALC）所收到的信号，以避免饱和及与探询频率比较时频率的不确定性。当个别探询脉冲的频率间隔是明显的，则返还信号的饱和状态就非明显。另外，一定程度的饱和是必须的， 以确保收到最大新罕布什尔及使得读入采集器的有限读入范围到达最大。另一点需要考虑的是收到信号的饱和度造成多探询频率的放大，使得内插的函数算法并不可靠。并且杂波信号的排斥率随着返还信号的饱和而递减。

11、见图a所示。图a，12个在不同探询频率的离散射频信号所示于上图。返还信号的频率曲线如下图所示。红色曲线表示饱和信号。绿色曲线表示受外界变化影响的信号。该图表明在低端频道的低排斥率以及由于饱和反应密度造成的函数内插频率的错误。2、 时域型此方法通常采用在采样流和正交基带上的双差在相下变频。虽然可能的频道外的杂波之连续性较差，直接下转和单相差转换是可实现的。离散付立叶变换（DFT)用来分析同相和正交样本，以获取能量谱密度（PSD)和适用于差值的PSD曲线。虽然这些额外的步骤增加了电子产品的复杂性和计算的负担，但是它克服了单纯频域方法的局限性。探询频率的间距受限于振荡器回应频率的带宽以及脉冲的功率谱

12、带宽。由于频率信息在驱近饱和时没有丢失，在时域方法的采样中接收器的饱和是预期的。接收器上的频域饱和效应与调幅（AM)/调频（FM)中的效应是相同的。如图b所示，在时域情形下，饱和度通常使振荡器变小的速度更慢，更均匀，因此准确度提高。然而饱和度应有所限制，以防止恶化的杂散信号抑制比。波幅时间（毫秒）图b，显示Q值为10000的振荡器衰竭曲线。蓝色线代表没有饱和的接收信号。红色，紫色和黑色代表2倍，5倍和10倍放大的饱和曲线。可见数字化波型的衰减时间分别明显地增加了2。5，6 及8。5微秒。声表面波振荡器的Q值是一个非常重要的参数，即卸载Q值和上载Q值。它们由辅时电阻及天线损耗内阻决定。图c表明，

13、一个近12000卸载Q值的振荡器需要接收至少6000上载Q值的信号强度。类似的近7500Q值的低Q振荡器也显示在此图上。可见，递减的脉冲宽度使接收功率减低了3分贝。收到响应的有效相对功率加载谐振器Q值图c，分析高Q值（固体TFSS432）的声表面波反应曲线基于如下假设。探询脉冲与反应波的脉冲开关时间是微秒是22微秒。接收的时间段为22微秒。由于声表面波没有有效被天线在反射。上载Q值句曲线句与低位。由于脉冲递减太快，上载Q值曲线处于低位。对卸载Q值为7500的振荡器的分析如图显示，接受功率减少了3分贝。当然振荡器必须设定在测量感兴趣的温度范围内，频率对温度的漂移的限制等。这些限制因素是基于对灵敏

14、度，准确度及行业规定的考虑。当系统依赖一个单一的振荡器频率以获取相关的温度信息时，根据精确度的要求，传感器必须校准。在高温的情况下，理想的情况是传感器具备低老化过程。这样在较长的时间内不需校准而保持准确性。典型经过特别处理的振荡器老化曲线如图d所示。图中显示出随着时间的增长，频率漂移的幅度较小。使用不同频率及温度特性的振荡器可减小测量上的误差。传感器老化操作温度老化时间（小时）温度误差图d，在三个温度段的频率为433MHz声表面波传感器的老化曲线。从中可以看出，老化过程非常平稳，这使得温度测量的精度非常高。4.2. 测温主控终端测温主控终端主要完成温度测量、告警功能以及提供与监控专网的数据接口

15、。l 温度测量：可按照设定的频率自动进行各传感器温度信息的采集，也可响应远程监控系统发出的实时采集命令。l 报警功能：当温度或其上升率超过上限值，向监控专网发送告警信息。l 参数设定：传感器温度校准、各类预警值、时间、温度采集频率、传感器发射功率、信号接受门限等l 数据存储：存储历史温度测量值。存储周期可设定。l 通信接口：下行与读入采集器之间采用CAN总线或无线自组网方式；上行通过RS485接口接入电力监控专网，传输温度监控信息。测温监测终端外观及接线示意图后面板接线示意图：485 CAN1 CAN2 CAN3 CAN4 CAN5 CAN6 CAN7 CAN8 CAN9 CAN101 2 1

16、234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234ONOFF电源插座其中CAN1 CAN2 CAN3 CAN4 CAN5内部复接为0口，CAN6 CAN7 CAN8 CAN9 CAN10内部复接为1口CAN1-10 4P连接器功能485 2P连接器功能1脚+5V 1脚A2脚CAN H线2脚B3脚CAN L线4脚GND测温监测终端技术参数：电源输入：220VAC, 2A 功耗：20cm2、传感器天线与采集器reader天线距离满足介于40cm165cm之间的要求，且保持轴向平行。3、传感器与金属壁的距离10CM6. 应用领域l 高压开关柜温度监测主要

17、适用于高压开关柜触点的温度监测，无线温度传感器安装在开关柜内的每个开关触头上（每个高压开关柜有六个触头），柜壁上安装小天线，通过2米馈线引出柜外与采集器连接，采集器通过CAN总线与主控终端连接，主控终端通过485总线与后台监控系统连接。l 更多的应用领域利用无源无线温度传感器与读入采集器之间采用无线传输信号，传感器与读入采集器之间无电气上的连接，具有高压隔离性能，还可扩展应用于高压开关柜触头及接点、干式变压器、箱式变电站、高压母线接头、高压电缆接头、刀闸开关等高压设备运行温度的测量。7. 成功案例l 四川省电力公司绵阳电业局110KV普明变电站实施规模：15个开关柜共计15套WSTS-SC型无

18、源无线温度传感装置，每套含传感器6个、读入采集器1个。变电站主控室安装测温主控终端1台。实施方案：每个开关柜的6个传感器分别安装于母排三相进线和出线的6个触点；变电站主控室安装1台测温主控终端；监测终端与读入采集器通过CAN总线进行数据通信（通过变电站的架空电缆层走线）；监测终端将所有开关柜的温度信息通过485接口103规约接入变电站监控系统，在监控系统中实现温度实时监测、告警、预测等应用功能。实施效果：工程安装过程简单易行；现场安装、温度校准一次性成功，数据传输网络稳定，温度信息返回成功率高；系统成功实现了与变电站监控系统的接口，符合规约标准。安装示意l 重庆电力公司江津供电局35KV高浒变电站实施规模：10个开关柜共计10套WSTS-SC型无源无线温度传感装置，每套含传感器6个、读入采集器1个。变电站主控室安装测温主控终端1台。实