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电力设备在线温度监测的终极解决方案

添加时间:2016-12-29 16:38:26   浏览次数: 次    【 】   打印   关闭窗口

电力设备在线温度监测的终极解决方案
以声表面波(SAW)器件作为传感器,结合无线智能读写装置,实现传感信息的采集与传输,传感器安装在被测点上,无需连线即可将被测点的温度信息传送出去。而传感器本身无需电源供电、亦无需从电力装备上取电,因而具有优越的安全性、可靠性和可维护性。该技术属于高电压设备安全在线监测方面一项颠覆性技术,是智能电网高压设备实时温度检测技术上的重大突破。近年来已得到国内外在线监测设备厂家和电网公司的密切关注。
                                      
主要特性:
无线传送温度信息
无需电池及取电装置
无IC电路
体积小、重量轻、安装简易
不受高温、高电压、强电磁场环境影响,可靠性高
实时在线,测温精度高
工作温度范围宽
工作寿命长达20年以上
安装后几乎终生免维护

测温技术比较

传统的测温方式有很多种。当前应用较多的主要有光纤测温、红外测温、无线有源测温、无线感应取电测温等几种。但是,跟基于SAW技术的无线无源测温相比,这些测温方式在电力设备的应用上都有比较大的局限性。SAW测温技术在安全性、耐高温能力和抗电磁干扰能力上有着突出的优势。

表1 各类测温技术的比较

测温技术
优势
弱势
红外测温
使用方便,安全,普及率高
需人工,非接触式测温,视线不及处无法检测,测温精度较低。
光纤测温
实时在线,接触式测温,精度高
易损坏,存在“爬电”风险,可引起人身伤害
有源(电池)无线测温
实时在线,接触式测温,无线传输,成本低
需定期更换电池,无线通信模块工作温度受限(通常不高于85℃)
无电池感应取电(CT/EH/PT)无线测温
实时在线,接触式测温,无线传输,无电池
无线通信模块工作温度受限(通常不高于85℃),储能模块存安全隐患
无源(SAW)无线测温
实时在线,接触式测温,无线传输,无电池,无通信模块,无储能模块,无安全隐患,可在高达150℃的环境下工作
依靠收集的电磁波能量传递信息,无线传输的距离较近
SAW无源无线测温系统组成

SAW无源无线测温系统产品由温度采集器、温度传感器、通讯管理机、温度采集器天线及射频电缆组成,每套系统的配置如表2。

表2  SAW无源无线测温系统组成

名称
配置数量
用途
温度采集器
按开关柜/变压器台数进行配置
与温度传感器通信,采集温度数据并上传
温度传感器
按测温点数量进行配置
探测温度,上报温度信息
采集器天线
按开关柜/变压器数量进行配置
通过射频电缆与采集器连接,用于射频信号的收发
射频电缆
按现场要求配置
连接采集器和天线
通讯管理机
按厂站个数进行配置
数据处理及上传

一、温度采集器

温度采集器的工作原理是通过天线向四周发射特定频率范围的射频信号, SAW传感器接收符合自身谐振频率的激励信号后将带有温度信息的射频信号反射回来。采集器接收到传感器反射回来的射频信号后进行信号调理和数据处理,从而获得相应传感器采集到的实时温度信息,此外,采集器还具有如下功能:
具备远程数据传输功能,将采集到的数据通过有线串行RS485总线、或无线ZigBee通讯方式传送到后台监控系统;
具备灵活接入任意支持工业标准Modbus-RTU协议的第三方系统中;
具备丰富的外扩接口;
具备灵活的配置和调试能力;
具备优越的抗干扰能力。
图1  温度采集器


表3  温度采集器性能参数
参数
最小值
典型值
最大值
备注
测温范围
﹣20℃
-20℃~+120℃
150℃
该项指标与传感器有关
射频发射功率
-50dBm
+10dBm
+20dBm

射频端口数


6个

每个射频端口支持传感器1


12个

无线测量距离2

3米
10米

工作电压

AC220V

选配交流
DC6V
DC12V
DC40V
选配直流
功耗3
0.6W
7W
8W

工作温度
-40℃

+75℃

存储温度
-40℃

+85℃

注:
1.“每个射频端口支持传感器”:本款产品最多支持12个,但根据实际应用场合可能不需要全部使用;
2.“无线测量距离”:表格中数值是基于空旷环境下,采用我司相关规格天线实测获得;
3.“功耗”:表格中数值是基于本款产品正常工作在DC12V典型电压值时实测获得。
 
表4 温度采集器通讯参数
参数
最小值
典型值
最大值
备注
RS232接口数

1
2

RS485接口数

1
2

通讯速率
4800b/s
9600b/s
115200b/s
程控参数
通讯组网方式

RS485

ZigBee可选
通讯协议

Modbus

RTU模式
调试接口

RS232
 
二、温度传感器

温度传感器由SAW温度传感器芯片和微型天线构成,其中SAW芯片的谐振频率与温度具有良好的线性关系,线性度高达99%,能够实时感知被测对象的温度。同型号下具有12个不同的信道,每个信道的传感器独占一段频段,多个传感器临近部署时,各自工作,并不会互相干扰。温度传感器有如下特点:
无需供电,无线感知
小体积,易安装,适应多种场景
测温范围宽 -20℃ ~ +150℃
高精度,±1℃
高线性度,99%
高防护,可达IP65
极简结构,高可靠,长寿命(>20年)
高温(>200℃)下不变形、无滴液
阻燃等级达到UL94V-0


  温度传感器
 
表5 温度传感器性能参数
性能参数
最小值
典型值
最大值
单位
信道数1
-
12
-

存储温度
-40
-
+180

测温范围2
-20
-20~+120
+150

测温精度
-
±1
-

线性度2
-
99%
-

分辨率
-
0.1
-

测温距离
-
3
10

防护等级
室内型IP30
室外型IP65
注:
1.温度传感器共有12个信道,实际部署时,在同一个空间中可测量1~12个点的温度;
2.本产品的谐振频率随温度变化而变化,且在测温范围内,频率与温度保持良好线性关系;
另,以上性能描述为常规产品指标,本公司可根据客户需求定制。

   三、采集器天线 

为了便于在高压环境中使用,采集器天线在保证增益的前提下要尽可能缩小尺寸,尤其是高度,以免影响高压设备的安全距离。我司专门针对电力设备设计的采集器天线,高度仅有34mm,可通过螺丝固定或强力磁铁吸附在设备内。

  采集器天线
表6  采集器天线技术指标
项目
技术指标
工作温度
-40℃~+150℃
工作频率
420MHz~450MHz
电压驻波比
1.5
增益
6dBi
连接器类型
SMA
外形尺寸
225*78*34mm

四、通讯管理机

    通讯管理机可直接安装在开关柜内,通过现场总线和片区内智能电力仪表、主变温控器、直流屏、微机保护等设备通信,实现监控数据实时采集,并可将实时数据重新打包处理,通过以太网接口的标准电力规约上传至后台监控上级主站等,实现电力系统的自动化测控管理。其技术特点如下:

l  运行稳定可靠,采用高性能无风扇的通用工业控制器;
l  组网方便灵活,支持串行、以太网络以及数字输入/输出等功能;
l  规约库齐全稳定;
l  采集速度快;
l  抗电磁干扰性强,其中串口带光电隔离功能。

通讯管理机有不同的规格,可根据现场的实际需要进行选择。

  通信管理机  应用实例       

一、供电公司变电站10kV/35KV开关柜接点测温案例

背   景:某供电局的开关柜运行时间长,且负荷增长快,导致开关柜故障频发,非计划停电给周边企业带来了巨大的损失,社会影响严重。该供电公司拟采取增加巡检频次来预防事故发生,在现场巡检的同时,能够将各个变电站的温度数据汇集在市供电局的调度中心,能够及时进行长时间的状态分析和实时的数据监测。

解决方法:经过各种技术综合比对,在故障后改造的开关柜加装无源无线温度在线监测装置采用,采用人工巡检和在线监测共同作用进行故障预警,目前已有效预防几次事故的发生,并及时停电处理。且数据集中于局方调度中心,能够及时了解各个开关柜的状态,制定检修计划。
显示屏与采集器
母排安装的传感器与天线


动静触头上可装环形传感器

环形传感器安装示意图


动静触头上可装12mm传感器

12mm传感器安装示意图

GIS柜测温:触臂处安装(上) 隔离刀闸处安装(下)
 

二、400V配电柜温度监测案例汇总

背   景:400V 配电柜一般直接到负荷侧,由于设计裕量小,承担的负荷变化快,开关柜的载流较大,导致400V配电柜的测温必要性较高,但是400V配电柜本身的价值低,导致很多工厂及小区不愿意加装温度在线监测系统,但是有些负荷比较重要的开关柜,平时又不能停电,停电带来的影响很大,必须加强巡检,部分工厂和供电局经过经济对比,还是采用了温度在线监测系统来解决问题,但是400V柜空间小,安装不便,目前我们提供了多种安装方式可供选择。

解决方法:定制传感器结构,安降低系统成本,采用无源无线测温技术,且针对重要负荷进行监视。
 
配电开关柜母排测温,音叉式螺栓安装

农网公变内部配电箱测温,单孔式螺栓安装(右)
换流站负荷开关柜测温,抱箍式安装
  
配电柜塑壳断路器测温,粘接式安装

温度采集器安装点

400V无源无线温度采集系统解决方案图

三、变电站户外隔离刀闸及变压器测温案例

该案例成功应用于华北某油田管辖的变电站内,目前运行超过3年,运行稳定。该解决方案适用于10kV~35kV变电站户外刀闸测温。变电站刀闸3个为一组,每个刀闸安装一个声表面波温度传感器,一组刀闸需配置一副户外平板天线,用来采集传感器温度信息。
35KV户外刀闸测温安装实例            

 刀闸温度传感器

户外变压器测温现场安装图

四、无线专网支撑的无源无线测温

某沿海省份电力公司配网系统,电力设备较为分散且有部分位于岛屿之上,人工巡检不便、数据传输也不稳定。为此建设了无线专网用于数据传输,设备的在线温度信息是采集与上报的重要内容。采用SAW测温系统可以大大减少人工及维护成本。

 
系统架构

开关柜在线测温系统框架结构
  
通常在一个变电站中会有数十个开关柜、变压器等电气设备,SAW传感器安装在每一个需要关注的节点处,如母排连接处、断路器触臂、变压器进出线接头、电容柜电容本体等容易发热并引发事故的位置。温度采集器安装在开关柜的仪表舱内,并将其天线布置在开关柜柜壁、变压器箱壁等处。一个变电站内会有数百个温度采集点(安装SAW传感器的位置)和几十个温度采集器,温度采集器通过485总线串联在一起,每个采集器分配一个唯一的编号。485总线物理上连接到通信管理机并将底层的温度传感数据转换为TCP/IP协议,再通过变电站内的数据通讯设备送往远程(如电力局)的监控中心。
在一些偏远的地方,或者电气设备比较分散的场合,尚不具备网络通讯的条件,此时,可以在采集器后端外接无线DTU,通过移动/电信的无线网络进行数据上传。
当温度采集点多时,实时上传的数据量是十分庞大的,由于大部分变电站都逐渐转向了无人值守,对于维护人员来讲,最关心的是当温度出现异常状况时能够得到及时的、远程的告警,这种情况下,可以在变电站内加上一个短信狗,用户可以自行设置告警条件,当出现异常时,通过短信向指定的手机发送告警短信。
 

                        产品目录                

序号
产品名称
设备型号
规格
1
SAW温度传感器
SST-001
圆柱形,适合母排安装
2
SAW温度传感器
SST-002
细长型,适合断路器、线缆处安装 
3
SAW温度传感器
SST-003
环形,适合断路器触臂安装
4
平板天线
SSE-AN-PI-4900
柜内安装
5
平板天线
SSE-AN-PO-6
户外安装
6
八木天线
SSE-AN-YO-12
户外安装,适合远距离数据采集
7
温度采集器
SSR-002PD
V1.0/4通道/12V
8
温度采集器
SSR-202PA
V2.0/无屏/6通道/220V
9
温度采集器
SSR-202PAZ
V2.0/无屏/Zigbee/6通道/220V
10
温度采集器
SSR-402PA
V2.0/液晶屏/6通道/220V
11
温度采集器
SSR-402PAZ
V2.0/液晶屏/Zigbee/6通道/220V
12
无线DTU(GPRS)
SSE-WD-GPRS
工业级DTU,2G标准
13
通信管理机(工业级)
SSE-NI-4*2
4串-2网
14
环境温湿度传感器(工业级)
SSE-TMD
量程-40~120℃,数码显示
15
彩色触摸屏
SSE-DP-7
7吋
16
彩色触摸屏
SSE-DP-4
4吋
17
监控软件平台
SSC-002
 温度实时显示、历史数据、告警信息
18
短信狗
SSE-SMS
提供短信告警功能
 

                公司介绍                   

智梭传感科技有限公司成立于2012年,是一家中外合资的高科技公司,坐落在常州科教城,注册资金500万,是“龙城英才计划”第一批扶持的企业。

         公司以技术创新为本,其中的核心传感器芯片由北美研发团队所开发。从SAW传感器芯片到完整的系统,公司拥有全部的自主知识产权,技术水平与产品性能处于国际一流水平。


      常见问题与解答    
 
问:SAW传感器是完全无源的吗?它的能量从哪里来呢?
答:SAW传感器是100%无源的,它不需要任何电流。SAW温度传感器本质上是一个谐振频率与温度成一定关系的谐振器,当空中的电磁波与它的谐振频率吻合时将引起震荡并反射出一个同样频率的电磁波信号。因此,它的能量来自于无线电波。
问:如何区分不同位置上的SAW传感器,它们有编号吗?
答:总共有12种不同编号的SAW传感器。
问:如果安装的传感器数量超过12个,如何区分?
答:通过采集器天线的编号和采集器的编号来区分。每个采集器可以接6个天线,每个天线可以访问最多12个传感器。通常在一个相对封闭的空间里,最多可部署不超过12个传感器,一个开关柜如果有多个室(如母线室和断路器室),则可各放置不超过12个传感器。
问:SAW传感器的寿命真有几十年那么长吗?
答:SAW器件是使用石英作为基底材料,镀上一层或两层金属,再封装在陶瓷外壳内,组成它的各种材料都是十分稳定的,因此,它的使用寿命可长达几十年。此外,在SAW传感器出厂前通常要做上几天的高温老化,以剔除生产过程中可能的瑕疵。
问:在电气设备内部使用,设备产生的各种电磁信号会影响传感器的工作吗?
答:SAW传感器工作在几百MHz的超高频,通常不会受到电气设备的影响。但是,如果不采取抗干扰措施,电气设备外部的超高频同频信号(通常来源于对讲机、变电站内其他无线通信设备等)会对温度测量产生影响,造成误报。我司的产品引入了抗干扰设计,可以有效排除外部同频信号的干扰,保障数据采集的正确性。
问:你们的产品是集成的吗?哪些部分是自己的产品?
答:我司从最核心的SAW传感器芯片入手,完全自主设计,全部自主知识产权,我们的设计包括了SAW传感器芯片、SAW温度传感器、温度采集器、温度采集器天线等,专利覆盖了以上所有内容以及抗干扰算法、产品应用方案等。
问:你们的市场策略是什么?
答:我们愿意与各界朋友联手,共同发展,欢迎来电沟通洽谈。

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