Tiivistelmä: Yhteiskuntatalouden jatkuvan kehityksen myötä sähköjärjestelmä on siirtymässä kohti korkeajännitettä ja suurta kapasiteettia. Uusia sähköjärjestelmän teknologioita ja laitteita syntyy loputtomana virtana, ja sähkönsiirtokapasiteetti paranee jatkuvasti. Korkeajännitteisten sähkölaitteiden kantama korkeajännitekuorma tekee kuitenkin myös omasta lämpötilan nousustaan sähköverkon vakautta uhkaavan tekijän. Laitteiden lämpötilasta on tullut tärkeä parametri sähkönsiirtolaitteiden vakaalle toiminnalle nykyisessä sähköverkossa. Tässä artikkelissa analysoidaan langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän rakennetta ja sovellusta, sen sovelluksen etuja ja haittoja sekä esitetään sovellusesimerkkejä, jotka tarjoavat referenssejä maamme sähköjärjestelmän vakaalle toiminnalle ja kehitykselle.
Avainsana: Langaton lämpötilan mittausjärjestelmä; korkeajännitteiset sähkölaitteet; edut ja haitat
Maamme sähköjärjestelmän suurjännitelaitteissa on useita liitäntäpisteitä, kuten eristetyt kytkinliitokset, kiskoliitokset jne. Valmistus- tai turvallisuusprosessin laatuongelmien vuoksi monissa laitteissa on huonoja kosketusongelmia ja käytön aikana syntyy suuri vastus, mikä johtaa lämpötilan nousuongelmiin.
1. Korkeajännitteisten sähkölaitteiden lämpötilan nousun syyt
Lämpötilan mittausjärjestelmän soveltaminen on erottamaton osa lämpötilan nousuongelman syyn analysointia. Ensimmäinen on itse korkeajännitelaitteiden laatu- ja asennusongelmat, erityisesti laitteiden pulttien liitoksissa. Liitoskohtien standardien täyttävyys ja tiiviys vaikuttavat kaikki resistanssin lujuuteen. Monien laitteiden liitoksissa on epätasaisia ja karheita ongelmia asennuksen aikana. Riittämätön hionta johtaa myös lisääntyneeseen vastukseen ja huonoon kosketukseen, mikä vaikuttaa laitteiden käyttöön ja tekee lämpötilan nousuongelman ilmeiseksi. Toiseksi, huolimaton suojaus korkeajännitelaitteiden kuljetuksen aikana aiheuttaa kuoppia, mikä johtaa liitäntäkohtien tai keskeisten osien muodonmuutoksiin ja siten huonoon kosketukseen. Kolmanneksi, itse korkeajännitelaitteiden metallipinta on altis korroosiolle tai hapettumisreaktioille, ja laitteen pinnan ongelmat vaikuttavat myös laitteen kosketukseen. Joidenkin sähkölaitteiden huonot käyttöolosuhteet, kuten korkea lämpötila, sade, lumi ja voimakas tuuli, nopeuttavat laitteen ikääntymistä ja aiheuttavat vakavia lämpötilan nousuongelmia. Neljänneksi, ulkoiset tekijät vaikuttavat huonoon kosketukseen laitteen liitännässä. Monet laitteiden käyttöpaikat ovat suhteellisen monimutkaisia, ja erilaiset linkit, kuten laitteiden asennus, käyttö ja huolto, ovat myös alttiita virheille, mikä johtaa monien kaapeliliittimien ja eristyskytkimien huonoon kosketukseen ja vakaviin lämpötilan nousuongelmiin. Viidenneksi, laitteet ovat pitkään korkean kuormituspaineen alaisia. Korkeajännitteinen sähkölaite itsessään siirtää ja käyttää korkeajännitteistä sähköä. Kun virta on liian suuri ja ylittää laitteen kantokyvyn, yhdessä virran lämpövaikutuksen kanssa laitteen lämpötila nousee nopeasti.
Laitteiden todellisessa käytössä edellä mainitut viisi ongelmaa esiintyvät katkaisijoiden, erottimien, kaapeliliitosten, holkkien ja väyläkiskojen jne. liitoksissa. Näillä alueilla on paljon vikoja ja ne ovat alttiita lämpötilan nousulle. Päivittäisessä tarkastuksessa ja huollossa henkilökunnan tulisi keskittyä tarkastukseen ja huoltoon. Laitteiden tarkastuksen aikana laitteen lämpötilan mittaus ei ainoastaan pysty kuvaamaan laitteen tilaa käytön aikana, vaan myös havaitsemaan ajoissa huonon kosketuksen tai liiallisen kuormituksen aiheuttaman liiallisen lämmön. Ladatussa tilassa on normaalia, että sisälämpötila on korkeampi kuin ulkolämpötilan virran ja lämmön vaikutuksesta, mutta laitteen itsensä vikaantumisen tai liiallisen kuormituksen aiheuttamaa lämmönmuutosta on seurattava tarkasti. Tämä lämpötilan nousuongelma pahentaa laitteen ikääntymistä, lyhentää siten laitteen käyttöikää ja voi jopa aiheuttaa laitteen palamisen. Siksi on erittäin tärkeää soveltaa lämpötilan mittausjärjestelmää korkeajännitteisiin sähkölaitteisiin.
Kiinassa yleisimmin käytetyt lämpötilan mittausmenetelmät suurjännitelaitteissa ovat lämpötilanäyttövahamenetelmä, infrapunalämpötilan mittausmenetelmä, optisen kuidun lämpötilan mittausmenetelmä ja langaton lämpötilan mittausjärjestelmä. Sekä lämpötilanäyttömenetelmä että infrapunalämpömittari ovat manuaalisia, eikä tietoja voida kerätä reaaliajassa. Optisen kuidun mittauksella voidaan saada reaaliaikaisia mittaustuloksia. Sekä korkea- että matalajännitteellä ympäristötekijöitä ei kuitenkaan voida täysin eristää, eikä se täytä suurjännitelaitteiden sähkölaitteiden vaatimuksia. Lisäksi kaappiin asennettaessa asennukselle on suuria esteitä, kuten optisen kuidun heikkous korkeiden lämpötilojen kestävyydessä ja johdotuksen vaikeus. Nykyinen langaton lämpötilan mittaustekniikka perustuu pääasiassa nykyiseen langattomaan siirtotapaan ensiö- ja toisiopiirien liitäntä- ja kiinnitysongelmien ratkaisemiseksi, mikä parantaa suurjännitekäytön turvallisuutta.
2. Langattoman lämpötilan mittausjärjestelmän rakenteen ja laitteiden sovelluksen analyysi
Langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän koostumus voidaan jakaa lämpötila-anturiin, lämpötilan seurantatulosten näyttöön ja analysointiin sekä järjestelmän laitteistoon ja ohjelmistoon. Kuvassa 1 esitetyn suurjännitelaitteiden langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän rakenne on yleensä asennettu lämpötila-antureilla kytkentäkaappien, kaapeliliitosten, sulakkeiden jne. liitoksiin. Mittaustarkkuuden varmistamiseksi anturi on yleensä samassa jänniteasennossa kuin testattava kohde, ja sitten kerätty signaali lähetetään ja näytetään langattoman tekniikan avulla. Lämpötilamittauksen turvallisuuden varmistamiseksi suurjännite- ja pienjännitetyöosat on eristetty vuotojen ja muiden onnettomuuksien estämiseksi. Yleensä työlaitteen ulkopinnalla on useita kanavia reaaliaikaista valvontaa ja useiden sijaintien tietojen käsittelyä varten. Vastaanottimen vastaanottamat tiedot lähetetään sitten tietokoneelle sarja- tai rinnakkaisportin kautta, ja esiohjelmoitu ohjelma analysoi ja käsittelee ne.
Kuva 1. Langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän rakenteen kaaviokuva suurjännitelaitteille
2.1 Lämpötila-anturi
Lämpötila-anturin tehtävänä on muuntaa lämpötilasignaali sähköiseksi signaaliksi. Yleensä käytetään PT100-lämpöparimittaria, jonka mittaustarkkuus voi olla jopa 0,1 celsiusastetta. Myös nollavuoksista miniatyyrivirta-anturia voidaan käyttää, jolla on myös korkea sovellusarvo. Teknisesti ottaen magneettianturi valitsee rautasydämeksi pienihäviöisen Permalloyn ja käyttää erityistä negatiivisen paineen tekniikkaa ja suojauskeinoja rautasydämen automaattiseen kompensointiin, jotta rautasydän on ihanteellisessa toimintakunnossa nollamagneettisessa vuossa. Lämpötilan mittauslaitteen lisäksi langaton lämpötila-anturi sisältää myös virtalähteen, mittauspiirin, logiikan ohjauspiirin ja radioviestintäpiirin tietyllä taajuudella. Korkeampiin työolosuhteisiin sopeutumiseksi se on yleensä pakattu korkean lämpötilan ja korkeapaineen lämpökutistuvaan putkeen, ja sillä on tietyt vedenpitävät ja pölynkestävät ominaisuudet pitkäaikaisen käytön varmistamiseksi. Koska langattoman lämpötilan mittauslaitteen työalue on yleensä pieni, sen kokoa tulisi pienentää mahdollisimman paljon, jotta se täyttää työolosuhteet käytön aikana. Lämpötila-anturia käytettäessä voidaan käyttää lämmönkestävää liimauslankaa tai liimaustekniikkaa lämpöherkän elementin ja kohteen pinnan yhdistämiseen, mutta on huolehdittava siitä, että kosketuspisteet pidetään lähellä mittausvirheiden vähentämiseksi. Langattomalla lämpötila-anturilla tulisi olla laaja lineaarinen työalue. Yleensä valitaan -55–130 celsiusasteen lämpötila-anturi, ja lämpötila-anturi valitaan mittaustarkkuuden ja mittausvirheen vaatimusten mukaisesti erilaisissa käyttöolosuhteissa.
2.2 Langaton lämpötila-anturi
Langattomassa lämpötila-anturijärjestelmässä on useita vastaanottokanavia, jotka voivat käsitellä ja näyttää useita eri mittauspisteitä reaaliajassa. Langattomassa lämpötila-anturissa on arviointi- ja viankäsittelytoimintoja. Henkilökunta asettaa etukäteen turva-alueen, ja langaton lämpötila-anturi vertaa kerättyjä tietoja asetettuun kynnysarvoon. Jos lämpötila ylittää kynnysarvon, se siirtyy viankäsittelymoduuliin ja antaa varoitustekstin sekä korkea- ja matala-arvot hälytyssignaalin ja äänen käynnistämiseksi. Perusilmaisu- ja hälytystoimintojen lisäksi langattomalla lämpötila-anturilla on myös kyky lähettää tietoa. Se voidaan liittää tietokoneeseen datalinjan tai sarja-/rinnakkaisportin kautta, ja työntekijät voivat valvoa useita kytkimiä ja kosketinosia reaaliajassa ja hallita niiden toimintatilaa havaitakseen olemassa olevat turvallisuusongelmat ajoissa.
2.3 Reaaliaikainen lämpötilanvalvontajärjestelmä
Verrattuna edellä mainittuihin laitteistoihin, kuten antureihin ja ilmaisimiin, reaaliaikainen lämpötilanvalvontajärjestelmä on langattomassa lämpötilanmittausjärjestelmässä taipuvaisempi ohjelmistojärjestelmään. Reaaliaikainen lämpötilanvalvontajärjestelmä on langattoman lämpötilanmittauslaitteiston toiminnan, tiedonkäsittelyn, signaalinkeruun ja muiden toimintojen integrointi. Se kommunikoi henkilöstön kanssa asiakasrajapinnan kautta ja lataa ja antaa ohjeita. Käyttäjän työvoiman vähentämiseksi tekniset työntekijät ovat kehittäneet reaaliaikaisen lämpötilanvalvontajärjestelmän, joka täyttää yllä olevan kuvauksen, jotta laitteisto-osan lämpötilanmittaustulokset voidaan analysoida ja käsitellä. Reaaliaikaisella lämpötilanvalvontajärjestelmällä on lämpötilan näyttö, tiedon tallennus, historiallisen datan analysointi ja vertailu, vikavaroitus, vika-analyysi, laitteiden toimintatilan analysointi jne., ja se voi integroida ja täydentää laitteisto-osan toimintoja. Reaaliaikaisen lämpötilanvalvontajärjestelmän suunnittelussa voidaan käyttää joitakin modulaarisia suunnittelumenetelmiä redundanttiseen tiedonkäsittelytyöhön, ja jokainen moduuliyksikkö jaetaan toiminnon mukaan, ja tiedot tallennetaan ja käsitellään luokittain. Tämä modulaarinen suunnittelumenetelmä voi tehdä reaaliaikaisesta lämpötilanvalvontajärjestelmästä sovellettavuuden ja turvallisuuden paremman. Reaaliaikainen lämpötilanvalvontajärjestelmä voi auttaa teknisiä työntekijöitä keräämään, poimimaan, vertailemaan ja analysoimaan suurta määrää tietoa, ja se voi raportoida erilaisia poikkeavia olosuhteita reaaliajassa eri laitteiden eri lämpötilojen mukaan varmistaakseen eri laitteiden normaalin toiminnan. Samalla reaaliaikaisella lämpötilanvalvontajärjestelmällä on myös hyvä matemaattinen toiminta ja visualisointikyky, joka voi näyttää tietyn ajanjakson tiedot kaaviona ja merkitä tiedot myöhemmän huollon helpottamiseksi.
3. Langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän edut ja haitat suurjännitelaitteissa
3.1 Langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän tekniset edut sähkölaitteissa
Tieteen ja teknologian kehittyessä langaton lämpötilan mittausjärjestelmä on kokenut lukuisia päivityksiä ja parannuksia, sen suorituskyky on parantunut ja lämpötilan seuranta on tarkentunut. Nykyinen sähkönjakelujärjestelmä vaatii langattomalta lämpötilan mittausjärjestelmältä yhä reaaliaikaisempaa ja tarkempaa toimintaa, erityisesti korkeajännitteisissä sähkölaitteissa. Langatonta lämpötilan mittausjärjestelmää säädetään myös jatkuvasti korkeajännitteisten sähkölaitteiden käytön myötä. Signaalin vastaanoton osalta langaton lämpötilan mittausjärjestelmä laajentaa signaalitaajuutta korkeajännitteisten sähkölaitteiden ominaisuuksien perusteella, mikä on hyvä vakaus eikä ulkoiset tekijät häiritse sitä helposti. Signaalin siirrossa käytetään langatonta tiedonsiirtotekniikkaa, joka on suhteellisen yksinkertaista, vähän energiaa ja kustannuksia kuluttavaa, ja sitä voidaan analysoida ja käsitellä vastaanotetun tiedon perusteella, ja laitteen toimintatilaa voidaan seurata reaaliajassa ilman sääolosuhteiden rajoituksia. Laitteen lämpötilaa voidaan seurata reaaliajassa, jotta vältetään havaitsematta jääminen. Samalla laitteen ylilämpötilan hälytys voidaan asettaa käyttäjän tarpeiden mukaan, ja käyttäjää voidaan muistuttaa laitteen sijainnista äänen ja signaalin avulla.
3.2 Langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän riittämätön käyttö sähkölaitteissa
Korkeajännitteisten sähkölaitteiden lämpötilan mittaus langattomalla lämpötilanmittausjärjestelmällä vähentää sähköaseman käyttäjien tarkastustyön intensiteettiä ja parantaa samalla laitteiden turvallisuustasoa. Langattomassa lämpötilanmittausjärjestelmässä on kuitenkin myös tiettyjä puutteita käytännössä. Ensinnäkin langaton lämpötilanmittausjärjestelmä on aktiivinen tekniikka, joka vaatii sisäänrakennetun akun virransyöttöön. Kun akku tyhjenee, langaton lämpötilanmittausjärjestelmä sammuu automaattisesti, eikä henkilökunta voi nähdä laitteen lämpötilaa. He voivat palauttaa yhteyden vain katkaisemalla linjan ja vaihtamalla akun. Tämän seurauksena kytkentätoimintojen ja suunnittelemattomien sähkökatkosten määrä sähköasemalla kasvaa huomattavasti. Tämän ongelman ratkaisemiseksi voimme parantaa tekniikkaa, korvata sisäänrakennetun akun passiivisella virtalähteellä ja käyttää kiinteän pisteen virran synnyttämää sähkömagneettista aaltoa virtalähteenä, jolloin koko järjestelmän luotettavuus paranee. Toiseksi, jotkut virtalähdelaitteen lämpötilan säätöindikaattorit epäonnistuvat usein käytännön sovelluksissa. Alustavasti arvioidaan, että langattoman lämpötilanmittausanturin akku on riittämätön. Sähkökatkoksen ja langattoman lämpötilan mittausanturin vaihdon jälkeen tämä ilmiö esiintyy edelleen. Tässä tapauksessa on tarpeen tunnistaa sijainti, korjata vastaanottopään asennus, lyhentää lämpötilan mittauspisteen ja langattoman lämpötilan mittausjärjestelmän välistä etäisyyttä ja välttää tämä tilanne. Lisäksi langaton lämpötila-anturi, jossa on oma aktiivinen teknologia, ei voi korvata akkua. Jos se havaitsee, että akku ei ole riittävän varaus, langaton anturi on vaihdettava. Tämä ei ainoastaan lisää laitteen ylläpitokustannuksia, vaan myös aiheuttaa laitteiston resurssien kulutusta.
4. Langattoman lämpötilan mittausjärjestelmän sovellusesimerkkejä
Verrattuna ulkomaiseen langattomaan lämpötilan mittausjärjestelmäteknologiaan, kotimaisen lämpötilan mittausteknologian kehitys on suhteellisen jäljessä, mutta kotimaisen teollisuuden viime vuosien jatkuvan huomion ansiosta investoinnit, työvoima ja materiaaliresurssit ovat parantuneet. Energiateollisuudessa on monia apulaitteita, erityisesti tehonkäytön valvontalaitteita. Toisin sanoen, kun linja saavuttaa tietyn kuormituksen tai korkean lämpötilan, laite katkaisee automaattisesti virransyötön onnettomuuksien välttämiseksi. Näitä käytännöllisiä uusia tuotteita käytetään enimmäkseen korkeajännitteisissä sähkölaitteissa, ja niiden liitännät ovat esiasennettuja eikä niitä voida vaihtaa. Vaikka se vähentää resistanssin muodostumista jossain määrin, pitkäaikaisen käytön vuoksi on helppo aiheuttaa vikoja, mikä lisää itse laitteen resistanssia ja lisää lämpötilaa käytön aikana. Niinpä pitkään on ollut helppo aiheuttaa turvallisuusonnettomuuksia, jotka vaarantavat ihmisten terveyden ja omaisuuden. Vastauksena tähän tilanteeseen jotkut kotimaiset yritykset ovat soveltaneet langatonta lämpötilan mittaustekniikkaa energiantuotantoon. Tämän teknologian suosion myötä sitä käytetään nyt laajalti paitsi energiateollisuudessa, myös muilla teollisuudenaloilla, joilla on lämpötilan nousuongelmia.
5. Sovellusskenaariot
Sähköinen kosketuslämpötilan online-mittauslaite soveltuu korkea- ja matalajännitekytkentäkaappien kaapeliliitosten, katkaisijoiden koskettimien, veitsikytkimien, korkeajännitekaapelien välipäiden, kuivatyyppisten muuntajien sekä matalajännite- ja suurvirtalaitteiden lämpötilan valvontaan. Se voi estää liiallisen kosketusvastuksen ja hapettumisen, löysyyden, pölyn ja muiden tekijöiden aiheuttaman kuumenemisen aiheuttamat mahdolliset turvallisuusriskit käytön aikana, parantaen siten laitteiden turvallisuutta, heijastaen laitteiden toimintatilaa oikea-aikaisesti, jatkuvasti ja tarkasti sekä vähentäen laitteiden onnettomuuksien määrää.
Kuva 7 Tasavirtajärjestelmän ja akun sähköisten mittausten
6. Järjestelmän laitteistokokoonpano
Lämpötilan online-valvontajärjestelmä koostuu pääasiassa lämpötila-anturista ja lämpötilan mittaus-/näyttöyksiköstä laitekerroksessa, reunalaskennan yhdyskäytävästä tietoliikennekerroksessa ja lämpötilan mittausjärjestelmän isännästä aseman ohjauskerroksessa, jotta voidaan toteuttaa sähkönmuunnos- ja jakelujärjestelmän keskeisten sähköosien online-lämpötilan valvonta.
7. Johtopäätös
Antureiden, langattoman tiedonsiirron, tiedonlouhinnan ja muiden teknologioiden jatkuvan kehityksen ansiosta suurjännitteisten sähkölaitteiden lämpötilan reaaliaikainen seurantajärjestelmä tulee tieteellisemmäksi. Langattoman lämpötilanmittausjärjestelmän soveltamisen ja yleistymisen myötä myös maamme energiateollisuus on vakaampi ja turvallisempi, ja sen teknologinen kehitys on edistänyt maamme kehitystä.
Viitteet:
[1] Acrel Enterprise -mikroverkon suunnittelu- ja sovelluskäsikirja. Versio 2022.05
Julkaisun aika: 02.05.2025
















