鹤岗地区高压电气节点无线测温系统研究

【摘要】 随着经济社会的发展,电力产业已经成为我国的支柱产业。经济的发展必然导致用电量的增加,高压电气节点如变压器、互感器、高压开关柜、室外刀闸将承担越来越大的安全输送大负荷电能的压力。而电力系统中众多高压电气节点的发热问题时刻威胁着系统的安全稳定,高压电气节点的安全运行是系统正常供电的保障。随着负荷的增大,导致连接点发热并形成恶性循环：温升、膨胀、收缩、氧化、电阻增大、再度升温直至酿成事故。因此,监测高压设备及其连接点温升,实现温度在线监测,保证高压电气节点安全运行有着重大意义。本文研究高压电气设备本身、设备间连接点的在线测温系统,对一些关键技术进行了分析、论证和比较,最终选用了最适用于本系统的WSN方式,并对其进行了深入的研究；结合鹤岗地区的实际运行状况,明确了建设鹤岗地区在线测温系统的必要性,并重点对系统的总体架构、主站架构、后台软件架构、通信方式、系统功能分别进行了方案设计;在对各类型测温单元比较总结后,选取了适用于本系统的测温单元,并对系统的测温终端进行了相应的软硬件设计,重点设计了系统终端的温度采集模块并最终调试确立了最终的参数。本系统以在线测温服务为核心,实现对各种高压电气设备、设备间连接点的温度数据完整、准确、实时的采集功能,针对监测到的温度数据,及时地进行综合分析,对已经出现的故障或者潜在的威胁及时采取措施,以保证电网的安全稳定运行。该系统符合国家智能电网建设发展的方向和要求,具有先进性与实用性,相比同类系统处于领先地位,应用前景十分广阔。

第1章绪论

1.1课题背景和意义
随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，对电力的需求也在日益加大，对电力的依赖性越来越强。而智能电网的提出，被认为是当今世界电力发展和变革的最新动向，也是21世纪世界电力系统的重大科技创新与发展趋势。电网运行自动化、智能化的监控水平已成为国内外高度重视的关键问题。在线、实时、无人化的监测系统已成为智能电网必不可少的一部分⑴随着我国电力系统的建设，各类发电厂和变电站数量的激增，对于供电系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求;尤其是发电厂和变电站内各类的高压电气设备及高压电气连接点。对于这些高压电气设备及高压电气连接点，保证其可靠的运行将直接影响着电力系统本身的可靠性。与一些欧美国家相比，我国电网的平均故障率偏高，经过调查发现，其中一个重要原因就是我们缺乏对高压电气节点有效的在线监测措施，而对其实施的在线温度监测更是少之又少。根据电力事故的事后分析，绝大部分的火灾是由电气节点温度过高而引起的，这种事故一旦发生，将致使设备烧毁甚至导致爆炸，，严重威胁生命及财产。如果能在平常实时的对高压电气节点在进行线温度监测并在发现问题后迅速采取措施，防患于未然，将有着重大的意义。因此，对变电站高压电气设备及高压电气连接点温度进行实时有效的监测是非常必要的。在高压电气节点的故障中，由于发热造成系统运行的问题，经常发生。因此，对高压电气节点实施在线温度监测已成为亟待解决的问题[2]。电力系统在安装了在线测温装置后，有以下改进：1、事故事先预警，使人员在第一时间采取措施，避免事故发生或者将事故所造成的损失最小化。2、将正常的3-4天一次的人工巡视改为24小时全天无人在线实时监测，既能够使巡视人员免于福射的伤害，又进一步提高了设备运行的安全程度。分散的人员巡视变成了集中的电脑监控，实现真正的智能化。

1.2国内外发展现状
高压电气节点测温的方法主要分为人工测温，红外热成像测温，有线在线测温，无线在线测温。国内中小型的变电站都是人工测温的方式，国外的变电站综合自动化水平较国内领先，基本上均是有线在线测温，精度更高。人工测温主要是巡检人员使用红外测温仪对设备逐点测温，红外测温仪包括光路部分和电子传感变换部分，光路部分又包括镜头（含猫准机构）和滤色片，电子传感变换部分又包括传感器部分和信号处理部分。这种方法能够准确的判断设备的故障，但同时存在很多的缺点，如：1.对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大并且易受环境因素的影响。2.测量外部物体的温度方便，不方便测量封闭的或者存在障碍物的物体，例如高压开关柜内电气节点的温度或一些电控器件的温度。3.另外，人工测量使得检测人员长期暴露在高电压、强磁场的环境中，对人员的身体也造成了极大的伤害。红外热成像测温技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别，因而隐蔽性好，不容易被发现，从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。红外热成像技术不受电磁干扰，适用于高压电气节点的测量，能真正做到24h全天候监控，且探测能力强，作用距离远。红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，可采用多种显示方式，不受强光影响，应用广泛。
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第2章高压电气节点在线测温系统需求分析

2.1系统需求分析
鹤岗电网是黑龙江省东部电网的重要组成部分，近年来由于高压母线搭接点、断路器触头的温度升高导致的事故频发，就可能导致变电站起火或设备爆炸的严重后果，不仅严重影响电网的安全生产，还会严重威胁公共安全，给供电、用电方带来巨大的经济损失。鹤岗地区电网的特殊地理位置对于黒龙江电网而言尤为重要，鹤岗地区电网位于黑龙江东北部，黒龙江电网按其地理位置可分为东、中、西三个部分，东部电网与中部电网由2回500kV线路和4回220kV线路相联，如果由于温升导致的鹤岗电网事故扩大进而影响整个黑龙江电网，那么后果不堪设想。虽然鹤岗电网开始陆续安装使用一些简单的在线测温装置，由于缺乏统一的平台，各类测温装置长期孤立运行，资源不能共享；同时在线测温所得到的数据也无法与离线试验、运行巡检等其它重要状态量有机结合，自动化和信息化程度不高，导致对隐患的监测及预警能力不强，未能有效发挥其辅助诊断的作用。
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2.2系统测温方式分析
目前国内外关于电气高压节点的温度监测方法的研究较多，但是由于这些节点处在强电磁场、高电压环境中，所以目前大多数的研究都侧重于如何实现测温系统的抗干扰能力与高压环境中的绝缘问题，并且根据测温单元是否直接接触高压电气节点，可分为接触式与非接触式两类，现在主流的高压电气节点测温系统主要有以下几种：

1. 红外线通信高压电气节点测温系统（接触式）：
高压测温探头与被测物体直接接触，测温精度较高，但考虑到电气的隔离，高压测温探头需与被测物体间采用红外线通信方式。这就要求在安装时需将高压测温发射端和需与被测问题端直线相对（可以小角度倾斜），但有一定的安全距离，从而降低了测量的可靠性及稳定性；并且在实际应用中，由于环境的复杂程度不一造成安装的复杂度较高，并对于一些封闭设备，如高压开关柜并不适用；同时红外线通信的通信速率较低；测温探头需采用电池供电（电池使用寿命与具体设计有关）。

2. 红外线热累堆积传感器照射测温系统（非接触式）：
高压测温探头不与被测物直接接触，被测物体表面的散热、测温精度与探头相对于被测物的直线距离、探头与物体间的夹角直接影响测温的精度，大部分情况下的测温精度较低；安装时同样由于环境的复杂程度，使得安装较为复杂；同样无法测量封闭式设备；测温探头可以由监测主机直接供电，无需电池。
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第3章高压电气节点在线测温系统整体方案设计.......... 15
3.1系统设计原则.......... 15
3.2在线测温系统总体结构设计.......... 16
3.3在线测温系统主站设计 ..........  17
3.3.1主站系统结构设计.......... 17
3.3.2主站系统功能设计.......... 19
3.3.3主站系统软件结构设计.......... 20
3.4在线测温系统通信方式设计.......... 21
3.5本章小结 ..........23
第4章高压电气节点在线测温系统终端设计.......... 24
4.1测温系统终端的选取.......... 24
4.2在线测温终端总体设计 ..........26
4.3测温终端取电技术的实现.......... 30
4.4温度采集模块设计.......... 33
4.5本章小结 ..........39
第5章总结与展望.......... 40
5.1总结 ..........40
5.2展望 ..........40

第4章高压电气节点在线测温系统终端设计

4.1测温系统终端的选取
常规的测温终端要么需要人工干预，要么造价较高，要么有安全隐患，要么存在局限性，尤其是对于特殊的行业领域，限制了多种测温终端的应用。电力高压环境测温就是一个典型的比较特殊的被测量环境，对于这样一个物理结构复杂、测量点分布不集中、人工无法或不便于接近的环境，选取合理的测温终端对于系统的建设具有重要意义。传统的测温方法，例如红外测温的方法已经不能适应一些新型电气设备，尤其是封包式电气设备的需求，例如高压开关柜为了避免闪污事故及短路事故，柜体内君进行了绝缘包封，红外测温的方法不能测量柜体内的温度，而断路器触头又极易温度升高引起事故，因此红外测温的方法已不适用于其温度的监测[2G]。
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总结

论文通过深入分析现阶段电力系统中高压电气节点测温的课题背景，认真比较了当前高压电气节点温度测量的几种方案(光纤测温、红外测温、无线测温等)，指出了各自的优缺点，最终选用了无线测温方案。本文设计开发了一套适用于鹤岗地区电网的高压电气节点无线测温系统，并对测系统的终端进行了具体的模块设计。本文具体的工作如下：
1)分析比较了当前高压电气节点温度测量的几种方法，最终选用了无线测温，并对鹤岗电网的需求进行了分析，研究了 WSN在智能变电站中的应用及前景；
2)结合鹤岗当地电网的实际情况，着重对系统的总体、主站、功能、通信方式提出了具体的设计方案，并介绍了本系统的主要监测单元；
3)对在线测温系统终端的各个模块进行了具体的方案设计，并确定了终端的取电方式，之后重点对温度采集模块进行了软硬件的设计，并确认了最终的相关参数。
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参考文献（略）