浅谈无线测温系统在高压开关柜的设计与应用-基于安科瑞产品方案

安科瑞 刘迈

　　摘要

　　高压开关柜是电力系统中重要的配电设备，其内部触点、母排连接处等电气节点因接触不良、氧化老化等原因易出现过热隐患，严重时将引发设备故障甚至火灾事故。文章首先对红外测温、光纤测温、贴片测温等传统测温方式进行了综合对比分析，指出其难以满足封闭柜内电气节点实时测温的需求；在此基础上，结合高压开关柜的具体结构、运行监视及后期维护需要，介绍了基于安科瑞产品的无线测温系统设计方案。该系统通过ATE系列无线测温传感器、ATC600无线测温收发器、ARTM-Pn无线测温采集装置及Acrel-2000T无线测温监控系统，实现对开关柜内电气节点温度的实时采集、远传、显示与越限报警，为运维人员尽早发现异常发热、及时消除隐患提供数据支持，提高了高压开关柜运行的可靠性。

　　关键词：高压开关柜；无线测温；安科瑞；温度监测；事故预防

　　一、引言

　　10 kV高压开关柜是电力系统中重要的电气设备，广泛应用于发电厂、变电站及工矿企业的配电系统中，担负着日常运行中的负荷接带、电源分配和运行监视等任务。高压开关柜在制造过程中可能存在偶发缺陷，加上长期运行中自然产生的磨损、氧化和老化，易导致部分区域接触电阻增大或重要节点接触不良等问题；又因生产运行过程中电流往往较大，问题区域温升显著，严重时导电节点温度异常熔断，引发设备故障，造成开关跳闸，甚至导致停电事故或火灾事故，严重威胁电力系统的安全稳定运行。因此，为了提高配电系统的运行可靠性，需要对高压开关柜内的重要触点和接头进行实时温度监控，以便提前发现异常，及时消除隐患，降低事故发生的概率。

　　目前大部分高压开关柜采用金属封闭结构以提高防护性能，导致柜内空间狭小，检修难度增加，且设备长期处于高压带电状态，安全运行风险较高；若仅依靠人工巡查测温，不仅成本高、效率低，还难以在早期发现事故隐患，远远不能满足安全生产的需求。因此，寻找一种能够替代人工巡查的温度在线监测方法，实现电气节点温度的实时测量，对提高开关柜运行安全性十分必要。安科瑞电气股份有限公司针对高压开关柜的测温需求，开发了由ATE系列无线测温传感器、ATC600无线测温收发器、ARTM-Pn无线测温采集装置和Acrel-2000T无线测温监控系统组成的无线测温整体解决方案，本文结合工程实际，对该系统的设计与应用进行介绍。

　　二、传统测温方式

　　2.1 红外测温

　　凡温度高于绝对零度的物体，都会因自身分子的无规则运动不断向外辐射红外线，物体温度决定辐射能量的强度，进而决定红外辐射的波长。红外测温的原理是通过红外检测元件接收物体发出的红外辐射，经由光敏电阻组成的电路将辐射信号转换为电信号，再对电信号进行处理得到物体温度。

　　红外测温方式在实际使用中易受操作环境和测量角度的影响，对温度变化的敏感度降低，测温精度随之下降。此外，红外辐射不能穿透金属柜体和障碍物，对于设备内部尤其是线路较多的区域，难以实现准确测温，容易形成温度监控死角。同时，该方式在实际使用中只能依靠运行人员现场测量，测量结果受人员业务水平、测量角度和测量时间等客观因素影响，难以保障对设备重要部位的实时温度监测和及时的异常告警。

　　2.2 光纤测温

　　依据测温原理，光纤测温可分为基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的三类光纤测温技术。其中，瑞利散射是分子本身的弹性散射，散射光强度大且频率稳定；布里渊散射是光信号在光纤中传输时，因分子振动导致介质折射率变化，进而产生的声波与光波相互作用形成的散射过程；拉曼散射是由分子热运动产生的非弹性散射，入射光与散射光在幅值、相位和频率上均不相同。

　　光纤测温具有灵敏度高、绝缘性好、抗电磁干扰、防爆和耐腐蚀等优点，信号传输适应性好，传输通道可以弯曲，使用场景较广，能够满足开关柜内部温度测量的基本要求。但是，光纤材料的耐高温性能较差，实际测量时需与热敏传感器一起紧贴被测物体，长期处于高温环境下容易导致光纤材料绝缘老化，变得易折易断，在使用期间或后期运行维护过程中极易损坏，反而增加新的安全隐患，使后期维护难度和成本上升。

2.3 贴片测温

　　贴片测温依靠示温蜡片在不同温度下呈现不同颜色的特性，通过观察颜色变化来判别测点温度。出于运行安全性要求，高压开关柜运行时柜门处于关闭状态，运行人员通常只能通过柜门观察窗察看蜡片颜色，观察角度受到限制，难以直观、全面地监视封闭柜内所有重要触点的温度变化。同时，在长期运行过程中，由于设备振动和老化等原因，示温蜡片可能发生脱落，导致对应测点无法检测，影响运行人员对设备发热情况的准确判断。此外，贴片测温同样需要依靠运行人员实时巡查，对封闭柜内重要的易发热部位，往往需要在停电状态下才能进行检测，无法实现实时温度测量和异常告警，运行成本也显著增加。

　　三、无线测温系统设计

　　3.1 系统组成及测温原理

　　综上所述，由于对高压开关柜实时测温的准确性和实时性要求不断提高，而传统测温方式在实际使用中均存在不足，已越来越难以满足生产需要。尤其是目前应用较为广泛的KYN型中置式开关柜，其绝缘材料对导电部位的遮挡较大，存在一些难以测量的部位，传统测温方式的测温效果进一步下降。因此，需要一种新的测温系统，对高压开关柜内所有温度测点进行实时温度监视，使运行人员能够及时发现设备温度异常并及时处理，从源头上消除安全隐患。安科瑞无线测温系统即针对上述需求设计，主要由温度采集模块、信号传输与处理模块、后台监控模块三部分组成。

　　温度采集模块由安装在封闭式开关柜内的ATE系列无线测温传感器组成。传感器直接固定于柜内易发热部位，如断路器动触头、静触头、触臂、母排搭接处、电缆接头等，实时采集固定位置的温度信息，并以无线方式将温度数据发送出去。其中，ATE400无源无线测温传感器采用CT感应取电技术，从一次回路电流中获取工作电源，启动电流不低于5A，无需电池、长期免维护；ATE200表带式传感器安装于断路器触臂、静触头等部位，采用电池供电，电池使用寿命5年以上；ATE100、ATE100M、ATE100P等型号分别适用于母排搭接处、铁质设备表面及螺栓固定节点等不同场合，可根据现场需要灵活选配。

　　信号传输与处理模块由ATC600无线测温收发器和ARTM-Pn无线测温采集装置等设备组成。ATC600安装于开关柜仪表室等适当位置，接收ATE系列传感器发射的温度数据，单台最多可接收240个测点，并通过RS485总线（Modbus-RTU协议）上传至监控后台；ARTM-Pn无线测温采集装置带LCD液晶显示，可就地显示各测点温度，并具备2路报警继电器输出，亦可经RS485接口互联组网，实现远程智能监控。

　　后台监控模块由Acrel-2000T无线测温监控系统组成。监控主机通过RS485总线或以太网采集各收发器、采集装置上传的温度数据，实时显示各监测点的温度变化曲线，并基于预先设定的报警温度和温升速率进行分析比较，一旦发现温度或温升速率超过预警值，系统立即发出声光报警，提示运行人员及时处理，进一步提高系统的整体安全性。

3.2 系统优点

　　不同测温方式的特点见表1。与贴片测温、红外测温、光纤测温等手段相比，无线测温系统无需在柜内敷设测温导线，传感器与接收设备之间通过无线信号传输数据，不会影响开关柜一次回路的绝缘性能；特别是无源传感器利用一次回路电流感应取电，无需更换电池，具有安全稳定、安装简单、准确可靠、长期免维护等优点，更加适合高压开关柜的测温需求。

　　安科瑞无线测温系统可根据实际需求调整温度测点的安装位置，实时测量温度数据并通过通讯设备传输到后台监控系统，在监控软件中以曲线形式直观展现测点的实时温度和变化趋势；系统具有自动触发的报警功能，有利于运行人员实时掌握设备运行情况，及时发现并排除设备故障，提高电力设备的运行可靠性，保障系统的安全稳定运行。

　　表1 不同测温方式的特点

　　四、系统架构

　　安科瑞无线测温系统采用分层分布式架构，主要由现场设备层、网络通讯层和站控管理层三部分组成。

　　现场设备层位于系统的底层，由ATE系列无线测温传感器组成，安装于开关柜内断路器触头、母排、电缆接头等易发热节点。传感器按预设周期自动采集并发送测点温度数据，当温度出现异常时不受发送周期限制，立即报警。

　　网络通讯层是连接现场设备与后台监控的桥梁，由ATC600无线测温收发器、ARTM-Pn无线测温采集装置等设备组成。收发器接收传感器发射的无线温度数据，经RS485总线（Modbus-RTU协议）上传至监控主机；采集装置同时完成温度就地显示与报警输出，实现就地监控与远程传输的衔接。

　　站控管理层位于系统的上层，由Acrel-2000T无线测温监控系统组成，负责对全站测点温度进行集中管理和监控。管理人员可通过监控主机实时查看各测点温度、报警状态等信息，并进行参数设置和控制操作；系统支持图形化界面显示，直观展示各监测点的位置和状态，并可通过以太网接入电力监控后台或云平台，实现多站点的集中监管。

五、系统功能

　　（1）实时温度监测：系统实时采集并显示各监测点的温度数据，温度历史曲线可按1分钟、5分钟、60分钟等周期查询，直观反映测点温度的变化趋势，便于运行人员分析判断。

　　（2）越限报警功能：用户可按测点分别设置高温定值、超温定值及温升速率限值。当测点温度超过预警值或温升速率异常时，系统立即发出声光报警并指示报警部位，报警信息同步记录，提示运行人员及时处理。

　　（3）事件记录与查询：报警发生、报警解除及通讯故障等事件均存入数据库，支持按时间、区域、报警类型等多种方式查询，便于事后分析总结，为设备状态检修提供依据。

　　（4）运行报表功能：系统可自动生成各回路设备的运行温度报表，支持查询与导出存档，替代人工抄表，减少运行人员的工作量。

　　（5）远程访问功能（可选）：通过WEB浏览器或手机APP可查看监测概况、设备温度、通讯状态及事件记录等信息，满足无人值守站房的远程监管需要。

　　六、安科瑞主要产品介绍

　　6.1 ATE系列无线测温传感器

　　ATE系列无线测温传感器是直接固定安装于发热部位的温度采集终端，采集的温度数据以无线方式发射给接收单元。主要型号及适用场合：ATE100适用于电缆与母排搭接处、电缆与隔离刀闸搭接处；ATE100M适用于铁质电气节点或设备表面，采用磁吸固定；ATE100P适用于户内外螺栓固定的电气节点；ATE200表带式传感器适用于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等处；ATE400无源传感器适用于断路器梅花触头、母排、电缆搭接处等，采用合金片固定。

　　其中，ATE400采用CT感应取电，启动电流不低于5A，测温范围为-40℃~+125℃，测量精度±1℃，采样周期15s，采用470MHz无线频段，空旷环境下传输距离可达150m，使用寿命10年以上；ATE200等电池供电型传感器的电池使用寿命为5年以上。传感器与接收设备之间通过无线信号传输数据，不改变柜内一次回路的绝缘结构，安装、拆卸方便，体积小巧，不占用柜内空间。

　　6.2 ATC600无线测温收发器

　　ATC600是一款带有RS485串行通讯接口的无线测温收发器，可同时接收240个ATE系列无线测温传感器发射的温度数据，并将采集到的数据通过RS485总线上传到监控中心。该装置具有终端（-C）、中继（-Z）两种工作模式，可根据项目布局灵活配置；供电范围宽，支持AC/DC 85~265V；采用35mm导轨式安装，并具备报警继电器输出，便于实现就地声光报警联动。

　　6.3 ARTM-Pn无线测温采集装置

　　ARTM-Pn无线测温采集装置依据《NB/T 42086-2016 无线测温装置技术要求》开发，适用于3~35kV户内开关柜，包括中置柜、手车柜、固定柜、环网柜等，也可用于0.4kV低压柜。装置最多可接入60个无线测温测点，带LCD液晶就地显示，具有2路报警继电器输出和4路开关量输入，辅助电源可选AC/DC 220V、110V；通过RS485接口互联组网，实现温度的就地显示与远程智能监控。

　　6.4 Acrel-2000T无线测温监控系统

　　Acrel-2000T/A无线测温监控设备可管理240个测温点，供电电源可选AC/DC 220V、110V，具备温度曲线显示、超温报警（蜂鸣）、事件记录、报表查询等功能，同时提供RS485和以太网两种通讯方式，作为系统的监控核心完成数据集中管理；亦可根据项目需要将测温数据接入安科瑞云平台，实现多站点集中监管和远程运维。

七、系统的实际应用

　　7.1 日常检测

　　无线测温属于在线式测温方法，通过无线通讯的方式进行数据的采集与传输，可实时监测高压开关柜内触点的运行温度。系统以曲线形式直观展示各测点的实时温度和变化趋势，运行人员可随时掌握设备的运行状态；当测点温度超过预设阈值或温升速率异常时，系统立即发出报警。工程实践表明，电气节点接触电阻增大、局部放电等早期缺陷均伴随温升过程，通过温度变化趋势的连续监测，可在故障发展初期及时发现隐患，实现对设备的日常检测。

7.2 故障监测与预警

　　故障监测是测温系统的另一重要功能。当柜内设备发生局部放电、触头氧化、连接松动等故障时，故障点发热量增加，温度显著上升。无线测温系统对各测点温度的连续记录，为故障定位和分析提供了数据支持：运行人员根据报警测点的位置可快速锁定故障部位，结合温度曲线的形态和温升速率判别故障类型及严重程度，进而安排检修，避免故障扩大。与周期性人工巡检相比，无线测温系统温度响应快、测量准确度高，实现了设备由“被动检修"向“主动检修"的转变。

　　通过日常检测和故障监测的实际应用效果分析，采用无线测温技术对高压开关柜内部设备进行在线温度监测具有以下技术优势：

　　（1）无线测温系统的应用，实现了高压开关柜温度的实时监测，数据分析和预警系统能够及时反馈异常，使运行人员及时发现并消除安全隐患，防止因电气设备过热造成停电事故，提高了电力系统的安全稳定性。

　　（2）无源无线测温传感器的使用，使设备从“被动检修"转变为“主动检修"，隐患在萌芽阶段即被发现和处理，提高了安全运行水平；系统投入使用后，减少了运行人员的巡检工作量，提高了工作效率。

　　（3）该系统具有长期免维护的优点，可节约人工成本；实时监测分析和预警功能有效减少了设备故障次数，避免了事故扩大，提高了供电的稳定性和经济效益。

　　八、结束语

　　文章介绍了一种基于安科瑞产品的无线测温系统。该系统通过ATE系列无线测温传感器、ATC600无线测温收发器、ARTM-Pn无线测温采集装置及Acrel-2000T无线测温监控系统，有效解决了传统测温方式测量不稳定、尤其是无法对高压开关柜内隐蔽部位进行实时温度监测等难题；无线测温传感器可根据实际需要安装在触头、母排、电缆接头等任意易发热位置，准确获得设备的温度信息，并在温度异常时及时发出预警，为设备运维人员及时消除事故隐患提供了良好的技术支持，提高了设备运行的安全性和稳定性，具有较高的推广应用价值。

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