王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司
0 引言
海上油田電力系統是海上石油平臺的動力命脈和開發生產的基礎，在整個供配電系統中，配電盤是重要的環節之一。由于配電盤一般為密閉系統，散熱條件差，再加上用電設備長期滿負荷甚至超負荷運行，導致發熱量過大，熱積累加劇，從而引發破壞柜內設備絕緣部件短路、火災等重大安全生產事故。另外，高、中壓設備絕緣不佳、安裝缺陷及安全距離等原因，將會造成局部放電的發生，隨著局部放電的發展，如不及時發現，很有可能造成盤柜損毀。相較于陸地電力系統，海上采油平臺因空間限制，配電系統無法按照陸地電網配電架構配置足夠的備用設備，特別是在35 KV及以下的中低壓系統，無法實現周期性的倒閘停電檢查與維護，因此實施在線的實時監測與狀態分析就顯得尤為重要。同時，通過實時的監測數據分析，可以為配電系統開展計劃性檢修提供必要的數據指導，從而使得停電檢修更有針對性，減少非必要的停產對海上油田穩定生產尤為重要。
該系統在中海油秦皇島32-6油田海上平臺35 kV 配電盤和10.5 kV 配電盤進行應用，系統包含了母排無線測溫及局部放電監測等功能，能夠便捷、有效地實時監測配電盤內母排溫度和盤內局部放電情況，能夠及時判斷威脅開關盤的安全隱患，降低設備事故率，*大限度避免直接和間接經濟損失。
1 系統組成與原理簡介
安裝在配電盤無線測溫及局部放電監測裝置主要分為三部分：控制箱、無線測溫傳感器、局部放電監測傳感器。以本次安裝的中海油海上平臺為例，總計在4面35 kV和25面10.5 kV 配電盤母排和電纜進出線銅排上各設置3個無源無線測溫傳感器，通過不銹鋼扎帶和螺紋膠固定，防止松脫脫落而造成短路風險；每面 35 kV 和 10.5 kV 配電盤內都配有一個有源無線局部放電傳感器，局部放電傳感器安裝貼柜側壁板，由柜內AC220 轉 DC12 V 電源模塊供電。控制箱內安裝有溫度無線接收模塊，用以接收各盤柜內溫度傳 感器傳送的數據，控制箱內配有PLC模塊，PLC通過對各模塊尋址讀取各盤柜母排溫度，并通過顯示器進行顯示。控制箱內裝有無線數傳電臺用以接收局部放電傳感器的數據，再通過 SIS413 將 RS232 協議轉換為 RS485 協議，由控制箱內 PLC 對局部放電傳感器尋址讀取數據進行處理，將局部放電相關數據、報警等數據在顯示器上進行顯示。如下圖 1 所述關系：
圖 1 線溫度及局部放電測量系統示意圖
1.1無線測溫
無線測溫系統的結構一般包括測溫數據采集、通信終端和通信管理三個主要部分構成。測溫數 據采集是基于感應式原理，通過傳感器實現對母排重要部位溫度的測量。通信終端對測溫終端發出命令，將溫度值等信息傳輸到無線通信的主要管理部位。通信終端是其他兩個部分的進行交換的主要機構，能夠通過對信息的收集再經過無線將信息發送至測溫現場顯示終端，受到數據后再 轉發給通信管理，進而實現數據的轉換，也保證了數據的完整與可靠。
無線溫度傳感器主要是指放置在各測溫點的無線信號發送、接收裝置和無線溫度測量裝置，本應用的無線測溫技術，選擇阿米特 AT-Ⅱ-C5 型無線溫度傳感器。每個無線傳感器設置有 ID 編號，將編號存入到計算機數據庫中，測量溫度范圍設置為-50℃~125℃。本系統溫度傳感器地址按照16進制進行編碼，無線測溫收發器通過讀取ID來確定當前傳感器采集溫度值。傳感器結構、安裝方式如圖 2、3。
圖 2 溫度傳感器
（1-溫度傳感器主體；2-合金底座，與溫度探頭接出；3- 鎖扣，用于固定合金片；4-取電合金片，用于感應取電； 5-配件，用于支撐合金片；6-合金片安裝孔，用于安裝合金片）
圖 3 測溫傳感器安裝位置（紅圈所示）
圖 4 溫度接收單元及接線端口
測溫通信終端在實際使用過程中主要負責接收無線溫度傳感器傳輸的溫度數據，并將數據上傳到遠程管理計算機工作站中。為了提高終端的響應速度，通常一個終端*多管理 100 個測溫探頭。溫度在線監測工作站，主要是指一臺裝有管理終端的計算機，計算機通過 RS485 串口或者互聯網與測溫通信終端建立連接，實時對各監測點運行溫度數據進行監控比對，對監測點的溫度變化曲線進行分析，一旦發現溫度過熱和急劇升高，立即報警。
1.2 局放監測
當絕緣材質發生局部放電時，放電效應會對周圍材質進行不斷侵蝕，*終導致整個絕緣系統的失效，進而對電網系統的安全運行造成威脅。因此了解好局部放電的產生原理和類型，利用合適的檢測方法對其檢測，做好預防工作，避免發生嚴重事故。
局部放電監測主要通過暫態對地電壓監測和超聲法監測兩種方式綜合判斷。
1)暫態地電壓監測原理：
當局部放電活動出現在高壓配電盤當中時，它會產生無線電頻率范圍內的電磁波，它可以通過金屬外殼上的開孔，從配電盤內泄漏到外表面。這些開孔可以是外殼或密封墊圈或其它絕緣部件周圍的間隙。
當電磁波傳播到配電盤外面時，它會在接地的金屬外殼上對地產生暫態電壓。暫態地電壓 (TEV)在幾個毫伏至幾伏的范圍內，存在時間很短，只有幾個納秒的上升時間。可以在配電盤正在工作時，將探頭放在配電盤的表面，采用這種非侵入方式來檢測局部放電活動。
2)超聲法監測原理：
介質發生局部放電時，其瞬間釋放的能量使分子間產生劇烈碰撞，并在宏觀上形成一種壓力產生超聲波脈沖，此時局部放電源如同一個聲源， 向外發出超聲波。由于放電持續時間很短，所以其發射的聲源頻譜很寬，可以達到數百千赫茲， 另外由于超聲波波長較短，因此它的方向性較強， 從而它的能量較為集中，可以從配電盤縫隙處檢測到有效的超聲信號，進行對局部放電的診斷。 利用以上兩個基本原理制成的監測傳感器，能有效實現對局部放電的實時監測。
圖 5 無線數傳電臺
如圖 5 所示，無線數傳電臺的主要作用是接收無線局部放電傳感器的數據，通過SIS413協議轉換器將 RS232 轉換為RS485，然后將數據傳給PLC進行處理。以下為各端口說明：
1-SMA 天線接口，外螺內孔
2-模式選擇撥碼開關
3-DC 電源接口（5.5*2.1），接 DC8~28V 電 源，（3 和 6 同時只接一個）
4-RS232 接口（RS232 和 RS485 同時只能 用一個）
5-RS485 接口（RS232 和 RS485 同時只能 用一個）
6-DC 電源接口，接 DC8~28V 電源（3 和 6 同時只能接一個）
7-電源指示燈
8-串口發送指示燈
9-串口接收指示燈
如圖6，控制箱主要功能為數據處理、數據轉發、報警顯示、數據顯示等功能。控制箱內配置有PLC、無線測溫收發器、無線數傳電臺等關鍵器件，PLC 通過對無線溫度收發器和無線數傳電臺對現場各無線溫度和局部放電傳感器固定的16進制地址進行尋址讀取，然后由PLC對數據進行處理。顯示器主要將PLC 處理的結果進行顯示。
圖 6 母排無線測溫及配電盤局部放電監測控制箱
2 系統優點
2.1 數據準確，即時傳輸，能夠識別參數變化趨勢
無線測溫傳感器直接包裹在母排上，保證母排溫度的采集數據更加真實準確；同時局部放電監測是通過暫態對地電壓監測和超聲法監測兩種方式綜合判斷，并且局部放電探頭放置在盤柜內部，相比于之前的局部放電儀外部測量也更加準確。此系統將母排溫度和局部放電的數據通過無線溫度和局部放電傳感器都傳輸到 PLC 內進行處理和計算。顯示器將各母排溫度和盤內局部放電即時數據、報警信息、變化曲線情況都清晰的展現出來。
2.2 安全且高效的智能化采集代替人工測量和檢查
傳統的熱成像和局部放電測量，都是要通過熱成像儀和局部放電儀進行人工測量，而且是每個月才進行一次，非常的費時費力，并且都是在外部，數據采集干擾因素很多，數據往往不夠貼近現場的實際情況。熱成像只能通過觀察孔檢測， 數據正確性差，只能通停電并拆開柜門檢修外觀和緊固檢查，不能準確判斷設備發熱狀態。通過配電盤無線測溫及局部放電監測系統的應用，不僅實現了溫度和局部放電實時監測，同時也大大的節省了人力，很大的方便了現場的工作。另外， 通過無線局放實時監測，避免人員開蓋檢測而造成的觸電風險。
2.3 無線傳輸，保證了高中壓配電盤的完整性和安全性
對原配電系統改造升級后，盤內溫度和局部放電傳感器全都采取無線傳輸方式，避免了對增加的電纜擊穿對高中盤母排安全運行造成安全威脅。另外，無線傳輸，無需對盤柜開孔，保證了盤柜的防護等級和本質安全。該系統能夠及時發現設備潛在的隱患，一旦發現影響設備正常運行的隱患，現場將制定整改計劃，及時糾正設備狀態，提升高中壓盤安全性和穩定性。該系統作為高中壓盤實時“體檢醫生"，可以避免因為未察覺的重大隱患而導致配電盤損壞，從而避免了因生產電力系統故障，給能源企業造成巨大損失。
3、安科瑞溫度在線監測系統解決方案
3.1、概述
電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續、準確反映設備運行狀態，降低設備事故率。
Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。
3.2、應用場所
適合在泛在電力物聯網、鋼廠、化工、水泥、數據中心、醫院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業、變配電所等電力設備的溫度監測。
3.3、系統結構
溫度在線監測系統結構圖
3.4、系統功能
測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開關設備運行溫度狀態。系統具有以下主要功能：
1）溫度顯示：顯示配電系統內每個測溫點的實時值，也可實現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。
2）溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。
3）運行報表：查詢及打印各測溫點時間的溫度數據。
4）實時告警：系統能夠對各測溫點異常溫度發出告警。系統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。
5）歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析等。
3.5、系統硬件配置
溫度在線監測系統主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關以及站控層的測溫系統主機組成，實現變配電系統關鍵電氣部位的溫度在線監測。
4 結語
母排無線測溫及配電盤局部放電監測系統作 為主動監測電氣設備局部放電及溫度檢測系統， 其抗干擾能力強，監測數據準確，同時能夠提供多種報警方式。母排無線測溫及配電盤局部放電 監測系統的*大優勢在于，能夠全天候實時監控 配電盤母排溫度及內部局部放電情況，真實反映 出設備運行狀態。當發生異常情況時，現場人員 可以及時對設備進行干預，大幅降低經濟損失及 事故發生幾率，保證了電氣設備的平穩運行，具有較大的經濟和社會效益，將助力我國海上油田 油氣開發生產事業。
參考文獻
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[4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022年05版.
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