Zusammenfassung: Hochspannungsschaltanlagen sind wichtige elektrische Betriebsmittel in Umspannwerken. Sie erfüllen die Doppelfunktion des Ein- und Ausschaltens von Stromleitungen und gewährleisten die Systemsicherheit. Hochspannungsschaltanlagen arbeiten über lange Zeiträume in einer Umgebung mit hoher Spannung, hohem Strom und starken Magnetfeldern. Oxidation und Kontaktwiderstand führen häufig zu einer Überhitzung der Kontakte und damit zu zu hohen Temperaturen. Werden diese nicht rechtzeitig erkannt und behoben, kann dies schwerwiegende Zwischenfälle wie Brände und Stromausfälle verursachen. Daher ist die Echtzeit-Temperaturüberwachung in Hochspannungsschaltanlagen zu einem dringenden Problem für die Stromversorgung geworden. Dieser Artikel befasst sich mit praktischen Fragestellungen und schlägt einen Lösungsansatz vor.drahtloses TemperaturmesssystemFür Hochspannungsschaltanlagen auf Basis eines Ein-Chip-Mikrocomputers. Das System zeichnet sich durch einfache Struktur, Temperaturmessung und hohe Genauigkeit aus.
Schlüsselwörter: Hochspannungsschaltanlage; drahtloses Temperaturmesssystem
Einführung
Mit der rasanten Entwicklung der Wirtschaft steigt der Bedarf an elektrischer Energie in allen Lebensbereichen stetig. Daher ist der sichere und zuverlässige Betrieb von Stromversorgungsanlagen ein wesentlicher Bestandteil der Netzstabilität. Hochspannungsschaltanlagen gehören zu den wichtigsten Komponenten in Umspannwerken. Die meisten Hochspannungsschaltanlagen sind geschlossen und weisen eine unzureichende Wärmeableitung auf. Bei längerem Betrieb erhitzen sich die Kontakte in den Schaltanlagen stark, was zu vorzeitigem Verschleiß der Komponenten und in der Folge zu Bränden und Unfällen führen kann. Die interne Überhitzung geschlossener Hochspannungsschaltanlagen ist daher zu einem häufigen Problem geworden.
1. Verfahren zur Erfassung der internen Kontakttemperatur von Hochspannungsschaltanlagen
Derzeit werden die Erwärmungszustände der Kontakte in Hochspannungsschaltanlagen überwacht, um Temperaturänderungen jederzeit erfassen und rechtzeitig eingreifen zu können, bevor gefährliche Temperaturen erreicht werden und somit Sicherheitsunfälle vermieden werden. Gängige Prüfmethoden sind derzeit die Temperaturmessung mittels T-Inspektion, Farbchip-Temperaturmessung, Glasfaser-Temperaturmessung und Infrarot-Temperaturmessung. Bei der manuellen Inspektion misst der Bediener die Temperatur im Schaltschrank mit einem handgeführten Infrarot-Thermometer. Aufgrund der geschlossenen Bauweise des Schaltschranks und der darin befindlichen Schaltungen oder Komponenten ist die Temperaturmessung im Inneren jedoch eingeschränkt. Daher kann das Infrarot-Thermometer die Temperatur im Schaltschrank nicht präzise erfassen. Die Farbchip-Temperaturmessung basiert auf der Farbdarstellung des Chips. Auch diese Methode ist nicht genau. Die Glasfaser-Temperaturmessung nutzt eine Glasfaser als Temperatursensor und moduliert die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Temperatur. Sie erfordert jedoch zusätzliche Ausrüstung wie Lichtquellen sowie Sende- und Empfangsschaltungen. Die Methode der Infrarot-Temperaturmessung ermittelt die Temperatur des Messobjekts anhand der Änderung der Infrarotstrahlung. Diese Methode weist jedoch eine geringe Genauigkeit auf. Aus diesem Grund wird in diesem Artikel ein drahtloses Temperaturmesssystem für Hochspannungsschaltanlagen auf Basis eines Ein-Chip-Mikrocomputers vorgestellt. Dieses System zeichnet sich durch präzise Temperaturmessung und einfache Installation aus.
1. Gesamtsystemdesign
2.1 Systemdesignanforderungen
Hochspannungsschaltanlagen sind wichtige Komponenten von Stromversorgungssystemen. Sie arbeiten über lange Zeiträume in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen und unterliegen daher hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Stabilität. Für die besonderen Betriebsbedingungen von Hochspannungsschaltanlagen muss das Überwachungssystem daher folgende Anforderungen erfüllen: (1) Es muss einen stabilen Langzeitbetrieb ohne häufigen Batteriewechsel ermöglichen; (2) es muss sich an komplexe elektromagnetische Störumgebungen anpassen können; (3) es muss kompakt und einfach an der Kontaktstelle zu installieren sein; (4) das System muss hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
2.2 Gesamtsystemdesignplan
Das in diesem Artikel beschriebene drahtlose Temperaturmesssystem für Hochspannungsschaltschränke besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: einem drahtlosen Temperaturmessmodul, einem Temperaturkollektor und einem Host-Computer. Das drahtlose Temperaturmessmodul wird an den Kontakten des Hochspannungsschaltschranks installiert, um die Kontakttemperatur zu erfassen. Das erfasste Temperatursignal wird drahtlos an den Temperaturkollektor gesendet. Dieser ist über ein kabelgebundenes Netzwerk mit dem Host-Computer verbunden und überträgt die Kontakttemperaturen des Hochspannungsschaltschranks in Echtzeit an den Host-Computer. Der Host-Computer kann die Hochspannung schalten, Temperaturdaten des Schaltschranks anzeigen, speichern, Alarme auslösen und historische Daten abfragen. Dadurch wird die Erkennung und frühzeitige Warnung vor elektrischen Schlägen durch Überhitzung im Hochspannungsschaltschrank ermöglicht.
Abbildung 1 Architektur des drahtlosen Temperaturmesssystems für Hochspannungsschaltschränke
Das Temperaturerfassungsmodul des unteren Rechners besteht im Wesentlichen aus einem Mikrocontroller-Steuermodul, einem Temperatursensormodul, einem drahtlosen Sende- und Empfangsmodul sowie einem Stromversorgungsmodul. Seine Struktur ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 Architektur zur Temperaturerfassung
3. Online-Temperaturüberwachungssystemlösung für Hektar
3.1 Überblick
Das Online-Temperaturmessgerät für elektrische Kontakte eignet sich zur Temperaturüberwachung von Kabelverbindungen, Leistungsschalterkontakten, Messerschaltern, Zwischenendstücken von Hochspannungskabeln, Trockentransformatoren sowie Niederspannungs- und Hochstromgeräten in Hoch- und Niederspannungsschaltanlagen. Es beugt Oxidation vor, die durch im Betrieb auftretende Schwankungen, Lockerungen, Staub und andere Faktoren verursacht wird und zu erhöhtem Kontaktwiderstand und Erwärmung führt, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Das Gerät verbessert die Anlagensicherheit, erfasst den Betriebszustand der Anlagen zeitnah, kontinuierlich und präzise und reduziert so die Unfallrate.
Das drahtlose Temperaturmess- und -überwachungssystem Acrel-2000T kommuniziert direkt mit den Geräten in der Schaltschrankebene über den RS485-Bus oder Ethernet. Das Systemdesign entspricht den internationalen Standards Modbus-RTU, Modbus-TCP und weiteren Übertragungsprotokollen, wodurch Sicherheit, Zuverlässigkeit und Offenheit deutlich verbessert werden. Das System verfügt über Funktionen für Fernsignalisierung, Telemetrie, Fernsteuerung, Fernjustierung, Fernkonfiguration, Ereignisalarmierung, Kurven- und Balkendiagrammdarstellung, Berichterstellung und Benutzerverwaltung. Es ermöglicht die Überwachung des Betriebszustands der Geräte im drahtlosen Temperaturmesssystem, eine schnelle Alarmreaktion und die Vermeidung schwerwiegender Ausfälle.
3.2 Bewerbungsplätze
Es eignet sich zur Temperaturüberwachung von Energieanlagen im allgegenwärtigen Energie-Internet der Dinge, Stahlwerken, Chemieanlagen, Zementwerken, Rechenzentren, Krankenhäusern, Flughäfen, Kraftwerken, Kohlebergwerken und anderen Fabriken und Bergwerken sowie Umspann- und Verteilungsstationen.
3.3 Systemstruktur
Strukturdiagramm des Online-Temperaturüberwachungssystems
3.4 Systemfunktionen
Das Temperaturmesssystem Acrel-2000T ist im Überwachungsraum installiert und kann den Betriebstemperaturstatus aller Schaltgeräte im System fernüberwachen. Das System verfügt über folgende Hauptfunktionen:
3.4.1 Temperaturanzeige
Zeigt den Echtzeitwert jedes Temperaturmesspunkts im Stromverteilungssystem an und ermöglicht die Fernanzeige der Daten über eine Computer-Weboberfläche/Mobiltelefon-App.
3.4.2 Temperaturkurve
Betrachten Sie die Temperaturtrendkurve jedes Temperaturmesspunktes.
3.4.3 Bericht ausführen
Temperaturdaten an jedem Temperaturmesspunkt abfragen und ausdrucken.
3.4.4 Echtzeitalarm
Das System kann bei anormalen Temperaturen an jedem Temperaturmesspunkt Alarme auslösen. Es verfügt über eine Echtzeit-Sprachalarmfunktion, die bei allen Ereignissen Sprachalarme ausgibt. Zu den Alarmmethoden gehören Pop-up-Fenster, Sprachalarme usw. Zusätzlich kann es Alarmmeldungen per SMS/App versenden, um das diensthabende Personal umgehend zu informieren.
3.5 Systemhardwarekonfiguration
Das Online-Temperaturüberwachungssystem besteht im Wesentlichen aus Temperatursensoren und Temperaturerfassungs-/Anzeigeeinheiten auf der Geräteebene, Edge-Computing-Gateways auf der Kommunikationsebene und Temperaturmesssystem-Hosts auf der Stationssteuerungsebene, um die Online-Temperaturüberwachung wichtiger elektrischer Teile des Energieumwandlungs- und -verteilungssystems zu realisieren.
Referenzen:
[1] Acrel Enterprise Microgrid Design and Application Manual. Version 2022.05
Veröffentlichungsdatum: 06.05.2025