徐世軍，魯醒悟

應用研究

配電盤無線測溫與局部放電測量系統(tǒng)的應用

徐世軍，魯醒悟

（中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300459）

本文介紹了一種針對高中壓配電盤無線測溫與局部放電測量系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)首次在中海油秦皇島32-6油田海上平臺35 kV配電盤和10.5 kV配電盤進行應用，通過母排無線測溫及局部放電監(jiān)測等功能，實現(xiàn)了配電盤內(nèi)母排溫度和盤內(nèi)局部放電狀態(tài)的實時監(jiān)測，該技術(shù)能夠代替人工進行帶電母排溫度及局部放電進行實時監(jiān)測，大幅降低人員頻繁檢測的勞動強度及電氣安全風險。

海上油田 母排溫度 局部放電 無線監(jiān)測

0 引言

海上油田電力系統(tǒng)是海上石油平臺的動力命脈和開發(fā)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在整個供配電系統(tǒng)中，配電盤是重要的環(huán)節(jié)之一[1,2]。由于配電盤一般為密閉系統(tǒng)，散熱條件差，再加上用電設(shè)備長期滿負荷甚至超負荷運行，導致發(fā)熱量過大，熱積累加劇，從而引發(fā)破壞柜內(nèi)設(shè)備絕緣部件短路、火災等重大安全生產(chǎn)事故。另外，高、中壓設(shè)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(fā)生，隨著局部放電的發(fā)展，如不及時發(fā)現(xiàn)，極有可能造成盤柜損毀[3]。相較于陸地電力系統(tǒng)，海上采油平臺因空間限制，配電系統(tǒng)無法按照陸地電網(wǎng)配電架構(gòu)配置足夠的備用設(shè)備，特別是在35KV及以下的中低壓系統(tǒng)，無法實現(xiàn)周期性的倒閘停電檢查與維護，因此實施在線的實時監(jiān)測與狀態(tài)分析就顯得尤為重要。同時，通過實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以為配電系統(tǒng)開展計劃性檢修提供必要的數(shù)據(jù)指導，從而使得停電檢修更有針對性，減少非必要的停產(chǎn)對海上油田穩(wěn)定生產(chǎn)尤為重要。

該系統(tǒng)首次在中海油秦皇島32-6油田海上平臺35kV配電盤和10.5kV配電盤進行應用，系統(tǒng)包含了母排無線測溫及局部放電監(jiān)測等功能，能夠便捷、有效地實時監(jiān)測配電盤內(nèi)母排溫度和盤內(nèi)局部放電情況，能夠及時判斷威脅開關(guān)盤的安全隱患，降低設(shè)備事故率，最大限度避免直接和間接經(jīng)濟損失。

1 系統(tǒng)組成與原理簡介

安裝在配電盤無線測溫及局部放電監(jiān)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(jiān)測傳感器。以本次安裝的中海油海上平臺為例，總計在4面35kV和25面10.5kV配電盤母排和電纜進出線銅排上各設(shè)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35kV和10.5kV配電盤內(nèi)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(cè)壁板，由柜內(nèi)AC220 轉(zhuǎn) DC12V電源模塊供電?？刂葡鋬?nèi)安裝有溫度無線接收模塊，用以接收各盤柜內(nèi)溫度傳感器傳送的數(shù)據(jù)，控制箱內(nèi)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?？刂葡鋬?nèi)裝有無線數(shù)傳電臺用以接收局部放電傳感器的數(shù)據(jù)，再通過SIS413將RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS485協(xié)議，由控制箱內(nèi)PLC對局部放電傳感器尋址讀取數(shù)據(jù)進行處理，將局部放電相關(guān)數(shù)據(jù)、報警等數(shù)據(jù)在顯示器上進行顯示。如下圖1所述關(guān)系：

圖1 線溫度及局部放電測量系統(tǒng)示意圖

1.1 無線測溫

無線測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般包括測溫數(shù)據(jù)采集、通信終端和通信管理三個主要部分構(gòu)成。測溫數(shù)據(jù)采集是基于感應式原理，通過傳感器實現(xiàn)對母排重要部位溫度的測量。通信終端對測溫終端發(fā)出命令，將溫度值等信息傳輸?shù)綗o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(gòu)，能夠通過對信息的收集再經(jīng)過無線將信息發(fā)送至測溫現(xiàn)場顯示終端，受到數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)發(fā)給通信管理，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，也保證了數(shù)據(jù)的完整與可靠[4]。

無線溫度傳感器主要是指放置在各測溫點的無線信號發(fā)送、接收裝置和無線溫度測量裝置，本應用的無線測溫技術(shù)，選擇阿米特AT-Ⅱ-C5型無線溫度傳感器。每個無線傳感器設(shè)置有ID編號，將編號存入到計算機數(shù)據(jù)庫中，測量溫度范圍設(shè)置為-50℃～125℃。本系統(tǒng)溫度傳感器地址按照16 進制進行編碼，無線測溫收發(fā)器通過讀取 ID 來確定當前傳感器采集溫度值。傳感器結(jié)構(gòu)、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?shù)臏囟葦?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)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，通常一個終端最多管理100個測溫探頭。溫度在線監(jiān)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(lián)網(wǎng)與測溫通信終端建立連接，實時對各監(jiān)測點運行溫度數(shù)據(jù)進行監(jiān)控比對，對監(jiān)測點的溫度變化曲線進行分析，一旦發(fā)現(xiàn)溫度過熱和急劇升高，立即報警。

1.2 局放監(jiān)測

當絕緣材質(zhì)發(fā)生局部放電時，放電效應會對周圍材質(zhì)進行不斷侵蝕，最終導致整個絕緣系統(tǒng)的失效，進而對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行造成威脅。因此必須了解好局部放電的產(chǎn)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(fā)生嚴重事故[5]。

局部放電監(jiān)測主要通過暫態(tài)對地電壓監(jiān)測和超聲法監(jiān)測兩種方式綜合判斷。

1) 暫態(tài)地電壓監(jiān)測原理：

當局部放電活動出現(xiàn)在高壓配電盤當中時，它會產(chǎn)生無線電頻率范圍內(nèi)的電磁波，它可以通過金屬外殼上的開孔，從配電盤內(nèi)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(chǎn)生暫態(tài)電壓。暫態(tài)地電壓(TEV)在幾個毫伏至幾伏的范圍內(nèi)，存在時間很短，只有幾個納秒的上升時間?？梢栽谂潆姳P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(jiān)測原理：

介質(zhì)發(fā)生局部放電時，其瞬間釋放的能量使分子間產(chǎn)生劇烈碰撞，并在宏觀上形成一種壓力產(chǎn)生超聲波脈沖，此時局部放電源如同一個聲源，向外發(fā)出超聲波。由于放電持續(xù)時間很短，所以其發(fā)射的聲源頻譜很寬，可以達到數(shù)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(jiān)測傳感器，能有效實現(xiàn)對局部放電的實時監(jiān)測。

圖5 無線數(shù)傳電臺

如圖5所示，無線數(shù)傳電臺的主要作用是接收無線局部放電傳感器的數(shù)據(jù)，通過SIS413協(xié)議轉(zhuǎn)換器將RS232轉(zhuǎn)換為RS485，然后將數(shù)據(jù)傳給PLC進行處理。以下為各端口說明：

1-SMA 天線接口，外螺內(nèi)孔

2-模式選擇撥碼開關(guān)

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(fā)送指示燈

9-串口接收指示燈

如圖6，控制箱主要功能為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、報警顯示、數(shù)據(jù)顯示等功能?？刂葡鋬?nèi)配置有PLC、無線測溫收發(fā)器、無線數(shù)傳電臺等關(guān)鍵器件，PLC通過對無線溫度收發(fā)器和無線數(shù)傳電臺對現(xiàn)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(shù)據(jù)進行處理。顯示器主要將PLC處理的結(jié)果進行顯示。

圖6 母排無線測溫及配電盤局部放電監(jiān)測控制箱

2 系統(tǒng)優(yōu)點

2.1 數(shù)據(jù)準確，即時傳輸，能夠識別參數(shù)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(shù)據(jù)更加真實準確；同時局部放電監(jiān)測是通過暫態(tài)對地電壓監(jiān)測和超聲法監(jiān)測兩種方式綜合判斷，并且局部放電探頭放置在盤柜內(nèi)部，相比于之前的局部放電儀外部測量也更加準確。此系統(tǒng)將母排溫度和局部放電的數(shù)據(jù)通過無線溫度和局部放電傳感器都傳輸?shù)絇LC內(nèi)進行處理和計算。顯示器將各母排溫度和盤內(nèi)局部放電即時數(shù)據(jù)、報警信息、變化曲線情況都清晰的展現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)采集干擾因素很多，數(shù)據(jù)往往不夠貼近現(xiàn)場的實際情況。熱成像只能通過觀察孔檢測，數(shù)據(jù)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(shè)備發(fā)熱狀態(tài)。通過配電盤無線測溫及局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的應用，不僅實現(xiàn)了溫度和局部放電實時監(jiān)測，同時也大大的節(jié)省了人力，極大的方便了現(xiàn)場的工作。另外，通過無線局放實時監(jiān)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(tǒng)改造升級后，盤內(nèi)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(zhì)安全。該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的隱患，一旦發(fā)現(xiàn)影響設(shè)備正常運行的隱患，現(xiàn)場將制定整改計劃，及時糾正設(shè)備狀態(tài)，提升高中壓盤安全性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)作為高中壓盤實時“體檢醫(yī)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(chǎn)電力系統(tǒng)故障，給能源企業(yè)造成巨大損失。

3 結(jié)語

母排無線測溫及配電盤局部放電監(jiān)測系統(tǒng)作為主動監(jiān)測電氣設(shè)備局部放電及溫度檢測系統(tǒng)，其抗干擾能力強，監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于，能夠全天候?qū)崟r監(jiān)控配電盤母排溫度及內(nèi)部局部放電情況，真實反映出設(shè)備運行狀態(tài)。當發(fā)生異常情況時，現(xiàn)場人員可以及時對設(shè)備進行干預，大幅降低經(jīng)濟損失及事故發(fā)生幾率，保證了電氣設(shè)備的平穩(wěn)運行，具有較大的經(jīng)濟和社會效益，將助力我國海上油田油氣開發(fā)生產(chǎn)事業(yè)。

[1] 亓俊良, 譚靜軒, 穆勝軍, 等. 海洋石油161低壓配電系統(tǒng)優(yōu)化改造[J]. 船海工程, 2013, 42(03): 133-135.

[2] 馮超, 潘家松, 董秀倫. 海上自升式鉆井平臺應急配電系統(tǒng)的設(shè)計[J].機電工程技術(shù), 2018, 47(01): 84-87.

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[5] 李軍浩,韓旭濤,劉澤輝,李彥明.電氣設(shè)備局部放電檢測技術(shù)述評[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(08): 2583-2601.

Application of wireless temperature measurement and partial discharge measurement system for distribution board

Xu Shijun, Lu Xingwu

(QHD32-6 Operating Company, CNOOC (China) Co., Ltd., Tianjin 300459, China)

TM75

A

1003-4862（2022）11-0074-04

2022-05-24

徐世軍（1969-），男，工程師，主要從事海上采油平臺設(shè)備運維和油氣生產(chǎn)管理。

魯醒悟（1983-），男，工程師，主要從事海上采油平臺設(shè)備運維和油氣生產(chǎn)管理。E-mail:coco201603@foxmail.com