吴伟权

（长园电力技术有限公司，广东 珠海 519085）

0 引 言

随着国民经济的飞速发展和人们生活水平的提高，电能的消耗量也日益增多，智能电网的发展成为国内外电网发展的目标，中压开关柜智能化是实现配电网自动化的关键点之一。中压开关柜是配电网传输和控制的主要设备，提高其智能化水平、实现对其运行状态的自行监测和控制对于整个配电网自动化水平的提高有着重要作用。

1 中压开关柜温度在线监测发展概述

中压开关柜是指具有较高性能的金属封闭控制和开关设备。中压开关柜智能化的发展分为三个阶段。第一阶段是中压成套开关设备的发展，起源于20世纪70年代中后期。这个阶段主要为小型化装置和继电器型装置，主要是操作自动化阶段，通过一些预先设定的程序实现开关柜的自动化、程序化的操作，确保各运行状态之间的自动转换。操作自动化的发展为中压开关柜智能化的发展奠定了技术基础。第二阶段主要在20世纪80年代后期。这一阶段主要以开关柜的智能监控为发展目标，通过对环境参数、状态参数、特征参数及电参数等各种参数的处理，逐步实现开关柜自身运行状态的自动诊断分析、故障预警及故障定位等功能。中压成套开关设备的生产初步进入智能化阶段，但在智能化分析、判断和选择能力方面存在一定缺陷。第三阶段的发展主要在20世纪80年代末和90年代初，随着网络通信、微电子、抗干扰、计算机及电力电子等技术的发展，自动化技术的发展日益成熟，具有测量、保护及控制等智能化功能的第三代中压成套开关设备的生产趋于成熟。我国中压开关柜加工技术起步较晚，随着工艺的不断改进和自主创新，总体上得到了较快的发展，但在小型化、模块化方面仍与世界先进水平存在一定差距。随着信息处理技术和电力技术的结合，在线温度监测产品不断改进和升级，其实用性也在逐步发展和提高。目前，市场上比较普遍应用的是智能化中压开关柜温度在线监测技术主要有红外技术和光纤技术两种。

2 红外在线监测技术

2.1 工作原理及应用

红外在线监测主要利用波长在0.76～1 000 m的电磁波。红外在线监测的工作原理是根据热辐射能量的大小来判断其表面温度，从而确定导体表面的温度。红外光辐射测温分为非接触式测温和接触式测温，前者工作原理基于红外辐射，其准确度受工作波长、距离系数、区域范围及大气测试环境等因素的影响[1]，工作难度较大，流程如图1所示；后者基于热敏元件工作，采用射频或红外进行高低电压的隔离，测温准确度较高，缺点是前端电源设计较为复杂[2]，流程如图2所示。

图1 非接触式测温装置监测流程

图2 接触式测温装置监测流程

红外在线监测所使用的传感器芯片工作电压在2.0～5.0 V，最低测量温度为-55 ℃，最高为125 ℃，误差在±3 ℃之间，其静态工作电流为45 μA，工作能耗较低，单片机选用16位的MSP430F123，具有低压供电、工作电压范围大、耗能少及使用灵活方便等优点。工作时，如果温度过高或者相邻两次测温相差较大，单片机会经过调制后发送红光，发送内容主要有本次温度数据、标识符及故障类型原因；如果温度正常，单片机会隔一定时间（可以设定）发送一次，发送内容为本次温度数据、标识符及无故障标识。由于工作时间较短，MPS430在非工作时间能耗非常少[3]。

2.2 红外测温监测存在的问题

工作时，由计算机软件对电子温度传感器进行识别和比较，然后进行信息处理，其缺点是传感器出现故障时，维修较为复杂。开关柜因绝缘罩、触头盒等设计容易对红外光在信息传播时造成影响，限制了该项技术的使用。非接触式远距离测温方式也可以进行温度信息采集，缺点是价格昂贵，在中压开关设备中应用较少。红外测温技术受距离系数、瞬时视角、大气环境及区域范围等因素的影响，难以保证其准确度。

3 分布式光纤测温技术

3.1 工作原理和特点

分布式光纤测温技术可用于空间温度场分布的实时监测。（1）工作原理。分布式光纤测温技术综合应用了光纤拉曼光谱技术、光时域反射技术、微弱信号处理技术、高频脉冲激光技术以及光波分复技术等，能对较长距离内光纤上各点的温度进行实时监测。该技术通过激光传播获取空间信息和温度分布，工作过程为设定一定宽度和能量的激光脉冲，利用其在光纤中传播时向后散射的光波，其状态会受温度的影响而改变，通过对散射回来的光波进行检测、复用，经系统处理就可以显示各段的温度信息。（2）工作特点。分布式光纤测温技术可以实现电气配电装置动力电缆、母线接头部位的零距离监测，同时不受电磁干扰因素的干扰，可在高辐射、强腐蚀及强电磁干扰等极端环境下工作，同时具备连续空间测温的特点。

3.2 分布式光纤系统的布置

3.2.1 测温点布置

首先，确定开关柜，在敏感处分布测温点，主要在母线搭接处、隔离闸接触处以及电缆接头处。如果开关柜测温点有m处，则共有3m个监测需求。其次，温度监测。根据分布式光纤测温技术自由空间测温的特点，开关柜环境温度监测相对方便，沿着光纤布线的路径即可。

3.2.2 测温光纤安装

测温光纤不仅能传递信号，而且是温度传感器，其安装质量对测量结果有着重要影响，因此其安装工艺尤为关键。

首先，安装时要检查光纤的外表是否存在断裂或者损伤的现象，观察断头密封情况，布置时要尽量保持光纤自然平直，不应挤压、打圈或者扭折等，在其端头应标明编号。其次，安装过程中要注意设备重点测温点，使传感器表面靠近发热金属面或母线处，然后用紧固件固定，光纤绕制要有一定的厚度，且要避免受损伤或者拉断，直径不小于3 cm，传感器的安装应满足绝缘距离的要求。再次，光纤因其特殊的材质在弯曲敷设时圆弧直径应大于3 cm，以免影响测量结果，其接头应保持洁净且应保持一定的余量，长度在10～30 cm。最后，光纤在布线后应插接，且其插接头的凸起应和传感器接口对应，确保对接牢靠[4]。

3.3 功能应用

光纤测温技术在很大程度上提高了变电站人员的工作效率，主要实现预警功能和中压开关柜敏感温度信息监测。首先，根据开关柜内的分布式光纤反映的传感参数转换为温度数据。其次，根据光纤所处空间位置温度的变化判断是否存在火灾倾向。再次，根据各敏感点的监测温度可以测量触头、电缆接头及母线搭接处等的温度。最后，根据温度升级速率提供预警功能，通常电力系统温度限值在60～80 ℃。

4 无线温度监测系统

4.1 工作原理和特点

无线温度监测系统是在线监测开关柜高压电接点温度，并对高温过热情况及时报警的信息系统。该系统使用的是物理接触式测温传感器，该传感器的测温精度高，测温方式稳定。无线温度监测系统吸收了测温和无线通信的优势，通过将物理接触式测温探头贴在所需测量温度的位置，并通过无线传输的方式将温度数据传递至接收装置，通过接收装置显示温度，一旦温度超出预设范围，就会产生预警告警反应，提醒操作主体及时消除事故隐患。该系统采用低功耗设计、无线测温等技术，具有隔离彻底、安装方便、抗干扰能力强及工作可靠等特点[5]。

在保证开关柜的原运行环境下，无线温度监测系统的设备投入少、改动少，对于新、旧设备也可快速改造。无线测温采用物理接触式传感器，精度高，不易误报；数据传输目前可选择DTU或4G网络组网，方便监控[6]。

5 智能化中压开关柜温度在线监测技术发展展望

智能开关设备是将信息技术融入到传统电气开关设备，以数字化信息的获取、处理及利用为基础，对电气设备的性能指标、设备自身的可靠性和安全性进行优化提升。

目前，智能开关设备的研究主要集中在通过电网智能开关设备的增加来提升感知、判断故障及执行线路保护的功能。通过在设备加装各类传感器来主动、集中采集设备的运行状态，并将采集到的模拟信号转化为数字信息进行即时处理。借助智能化开关柜温度在线监测技术和设备，也可以将采集到的温度信息通过高速网络交互接口传送到远方的控制中心进行管理和处理。

基于光纤、光波等智能化中压开关柜温度在线监测技术应用的成熟化，中压开关设备中温度在线监测的智能化将是未来研究的新内容，即通过高性能、新材料及低污染设备的研发和应用来打造更加智能化、集约化的中压开关设备，以适应智能化发展的要求。

6 结 论

智能化中压开关设备是通信、微电子、计算机及控制等多种技术的融合，是目前和未来行业关注的焦点，其性能的提高具有重要的意义。温度在线监测作为中压开关柜智能化进程的重要组成部分，在开关设备中应逐步推广和应用。