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      近年来，随着国内电力工业的高速发展，中压开关柜的应用数量越来越多，开关柜内存在大量的连接点，这些连接点因各种原因存在或大或小的接触电阻，接触电阻直接造成接触处温度升高，而运行过程中这些连接点因机械振动、过热氧化、膨胀松弛、表面腐蚀等原因使接触电阻进一步增加，导致连接点金属局部熔焊，产生火花甚至电弧放电，殃及周围绝缘材料，最终导致 电气设备损坏、停电、火灾或者爆炸等事故，严重威胁着电网的经济、运行安全。

      另一方面，用户对供电的可靠性要求也越来越高，国内一些专家也一直强调装设专用中低压母线保护的重要性，用户也希望可以提供一种造价较低、原理简单、适用于380V-35KV的母线保护，以最大限度减少母线故障对设备的损害，提高供电可靠性。

      基于以上目的，我公司采用最新微电子技术，自主研制出拥有完全知识产权的XY6500电气设备温度弧光综合测控系统，实现开关柜内接点温度和电弧实时监测，以及故障电弧的快速切除，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统380V～35kV中低压母线保护提供了理想的解决方案。

      系统由主站系统、主控单元、交流量采集单元、直流量采集单元、跳闸继电器扩展单元、弧光传感器、数据集中器、无线温度传感器、温湿度测控单元组成。

主站系统：实时监测各采集点数据、故障报警、数据存储和报表打印。

主控单元：负责跳闸控制逻辑、数据转发、功能单元扩展。主控单元共有24个数据传输接口，可接入直流量采集单元或交流量采集单元。有12个弧光检测接口，用于连接弧光传感器。输出接口则包括5路继电器跳闸输出。通过主控单元中的显示，可以准确判断电弧光产生的位置。

图1 主控单元

交流量采集单元：负责线路电流或母线电压信号的采集与波形存储。

图2 交流量采集单元

直流量采集单元：负责电弧探头信息或温度信息等直流量的采集与波形存储。

图3 直流量采集单元

状态量采集单元：负责状态信息的采集与存储；

图4 状态量采集单元

跳闸继电器扩展单元：负责扩展跳闸控制输出；

图5 跳闸继电器扩展单元

弧光传感器：弧光传感器安装在开关柜内，为探测弧光的光感应元件。发生电弧光故障时，光的强度会大幅度增加，弧光传感器内的感光元件就会把光信号转换为电信号给直流量采集单元或者主控单元。由于没有任何活动或带电部件，传感器极易安装，不会发生任何误动作，也不需要任何维护。感光范围灵敏度可在直流量采集单元和主控单元进行调整，灵敏度可在500LUX-150KLUX范围之间调整。

图6 弧光传感器

便携式弧光传感器：便携式弧光传感器其功能和性能与弧光传感器相同，差别只是它可以在连接电缆允许的范围内随意移动。它可以临时连接到直流量采集单元上，通过安置在离工作地点较近的地方（比如挂在胸前口袋上）用于增强运行操作人员在带电维修开关时的安全性。

数据集中器：数据集中器用于收集无线温度传感器的温度数据，并通过有线（RS-485、工业以太网、工业自愈环以太网）或者无线方式传送到主控单元，或直接传送至主站系统。

图7 数据集中器

无线温度传感器：无线温度传感器直接安装在高压带电体被测接点上，准确地跟踪发热接点的温度变化，利用国际通用的ISM和SRD免许可频段射频通信，将温度信息传送给数据集中器。传感器和被采集点等电位，安全可靠。

图8 无线测温传感器

温湿度测控单元：负责柜内环境的温湿度监测与控制。

 

灵活的功能单元选配还可以简洁快速实现：

电弧光保护子系统：主站系统、主控单元、扩展单元、弧光传感器

温度监测与报警子系统：主站系统、数据集中器、无线温度传感器、温湿度测控单元

温度弧光综合测控系统：选择所有单元。

图9 系统结构图

图10 安装示意图

      本系统由于采用了无线传感器网络技术和Zigbee无线组网技术，与传统的测温方式（示温蜡片、红外测温等）相比，具有响应速度快、体积小、安装操作简单方便、实时监控、功耗能耗低、抗干扰性强、成本低等优点。

    1、唯一的ID号

      当无线温度传感器发送被监测点温度的同时，把其自身的编号（ID号）也传输出来，这些数据最终被传输到计算机时，计算机根据事先在数据库中保存的无线温度传感器编号与安装地点对应关系，自动显示各监测点的温度。

这一特点非常适合变电站具有大量监测点的应用要求，提高了系统的自动化程度，减轻了人工测温时需要大量手工记录的问题。

    2、无线温度监测

      无线温度传感器与集中器之间采用无线连接，不需要在复杂的电气环境下增加额外的线路，既方便了系统的安装与维护，又减少了对电网安全运行的影响，使系统的安全性、灵活性得到极大提高。

无线通信选择工作于2.4GHz免申请工作频率，对人体无伤害、对周围设备无电磁干扰，符合IEEE802.15.4标准。

    3、每天24小时连续在线监测

      无线温度传感器每隔约1～3秒自动采集一次监测点的温度数据，当温度发生变化时立即向外发送，否则约5～60分钟（可设置）发送一次数据。这样系统既能采集到设备的连续温度变化曲线，又能降低功耗，延长电池使用寿命。

      主机自动收集并存储所有监测点的温度数据，当发现异常时将以声音、图像、文本等方式报警，并可以短信的方式通知负责人。这种实时在线的采集上传方式解决了传统试温片、红外线等测温方法需要人工到现场扫描造成测温延误的问题。

    4、具有趋势分析功能

      对每个监测点测得的温度数据作长时间保存记录，并实时进行分析。对温度变化呈现逐步升高的监测点，在温度没有达到上限值之前，事先进行预警，把故障消除在萌芽状态。

      用于高压设备接点运行温度监测的技术主要有红外测温、光纤测温和无线测温，下面对三种测温技术进行比较：

 

1.220VAC、220VDC、PT（高压系统的PT输出标称值单相电压为57.735V）等：缺点：接触点的高压和工作电源之间的安全电气距离难以保证。

2.电流耦合取电（在被测接点线路上通过电流互感器方式）：更适合于室外高压系统，如输电线路的覆冰、钢塔倾斜、环境温湿度监测等

优点：可以保证电气安全距离；可以长期工作；

缺点：（1）、需要根据额定负荷电流的大小选择不同变比的取电装置；

（2）、工作稳定性受负荷电流的影响很大，供电稳定性难以保证；

（3）、取电装置体积较大，在保证相相间和相地间安全电气距离的前提下，柜内不易找到合适的安装点；

（4）、造价高。

3.射频（高频）功率取电：

优点：传感器无需电池和专用辅助电源，属无源器件；可以长期工作；

缺点：只能在有限的距离内实现射频（高频）感应取电；为了确保传感器获得足够的感应电压（功率），发射器的功率很大，会干扰其他电子设备的正常运行；过大的发射功率不仅造价高，而且威胁人体健康。

4.电池供电：

优点：体积小巧，安装简便，稳定可靠，价格便宜。

缺电：在设计电池寿命到期时（如5年）需要更换电池，或者更换传感器。

      凭着多年在电力行业电力设备测温方面的技术优势和工程实施经验，以及具有自主知识产权的高新技术，实现了自动射频功率调整、网络路由发现与维护、网络最优路由（中继）选择等自适应能力，最大限度地降低功耗，延长电池的使用寿命，提高数据转发效率。因此，本系统无线温度传感器采用军品级高能锂电池供电的最优解决方案。

      采用进口数字式空气温度和湿度传感器，测量准确可靠，实时监测环境中的温湿度，并根据设置的温湿度上下限，进行自动调节。温湿度测控单元采用RS485接口与数据集中器连接，实现实时监测功能、远程设置控制参数功能。

      温湿度测控单元具有体积小、效率高、热场均匀、性能稳定，适应性强等优点。可广泛应用于各种开关柜、配电柜、继保柜、箱式变电站等。

      IEC298标准附录AA中规定开关柜的内部燃弧时间是100ms，目前市场上销售的开关柜基本上是按照IEC298标准生产的。由于发生弧光故障在断路器动作前，故障短路电弧是一直在燃烧的，即保护动作时间加上断路器分闸时间之和，即为电弧燃烧的持续时间。从保护开关柜方面考虑，保护动作时间应在小于100ms切除故障以防止弧光短路故障进一步发展扩大造成更大的危害。

    本系统具有原理简单、动作快速可靠、抗干扰强、保护覆盖范围广、安装维护方便的特点。填补了目前中压系统保护的空白，为中压开关柜保护提供了最佳解决方案。

1、双重功能：

对于较为复杂（系统型）应用场合，是系统的逻辑判断、控制与数据中心；

对于较为简单（装置型）应用场合，是完整的电弧光保护与波形记录装置；

2、弧光与过流双判据跳闸方式

图11 弧光与过流双判据跳闸原理图

3、含Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic，固定式电弧光、便携式电弧光、温度传感器的接入；

4、采用图模一体化管理软件完成各种控制输出逻辑；

5、具备开关失灵保护功能；

6、故障方位的精确定位；

7、故障与波形记录信息的管理；

8、采用双电子-机械继电器控制输出；控制输出时间小于5ms；

9、如果电弧光传感器持续动作7s以上，该传感器连接的电弧光信号单元会从系统中断开，同时会发出故障报警。一旦干扰光线消失，电弧信号单元就恢复正常功能，故障报警复位；

10、支持IRIG-B（DC）或主控单元自同步采样，各单元数据严格同步，同步精度优于0.1ms；

11、使用测量的相电压计算零序电压，不需要开口三角电压互感器；零序电流也采用相电流计算得到；

12、波形记录：4.8k/s采样条件下可以保存至少32次持续3s的故障波形；

    电弧光保护系统提供的控制输出时间小于5ms，远快于传统母线保护方案。因此在发生弧光故障柜内压力和温度急剧增加以前就可以切除供给的短路电流, 使损失减到最小。开关柜在排除电弧故障原因后, 进行有限清理工作后, 开关柜可继续进行工作，供电可迅速恢复。

    主站监控软件采用我公司自主研发的图模一体化软件，支持SQL Server和Oracle等数据库SQL标准接口，可方便、高效地完成各种实时监测工程应用的人机界面、数据存储、计算与告警、统计与分析，报表编辑、生成与打印等各种应用功能。

图12 主监控界面

图13历史数据查询

图14日整点温度曲线

 

 

 

电弧光保护

 

无线温度传感器

 

数据集中器