无线测温在化工行业配电系统的应用
安科瑞陈志豪
摘要：稳定的电力供应是保障企业正常生产的基础，因此如何保证电力设备的正常运行，是企业重点关注的一个问题。温度是表征电力设备运行正常的一个重要参数，在电力设备运行的过程中，如果发生超温运行，会降低设备的性能及使用寿命，引发设备故障，影响电网的正常运行，甚至引起电气火灾，造成巨大经济损失。采集关键电力设备接点的实时温度，克服有线温度监测系统存在的诸如线路多，布线复杂，维护困难，高压隔离等方面的不足，将测温传感器与无线通信技术相结合，将物联网技术与电力自动化技术相结合，实现智能化无线测温系统方案。无线测温系统具有结构简单可靠，扩展性好，布点灵活等特点,可以结合行业深层需求及其他技术，进一步在工业配电系统推广应用。
关键词：化工行业测温 无源无线测温 电气测温 测温系统
1 化工行业配电系统测温需求分析
随着我国经济建设的飞速发展,许多化工企业应运而生,化工工业是个庞大复杂的工业生产系统, 而企业的稳定可靠的供配电是保障正常生产的基础。化工企业配电系统有以下几个特点：（1）可靠性要求高，化工生产具有连续性，一旦供配电系统出现问题造成生产中断，会造成原料浪费；（2）负荷较大且较平稳，化工生产装置连续性高，整个供配电系统符合比较平稳，变化小；（3）逐步扩容，化工企业生产规模的扩大、新改建工程会带来新的用电负荷；（4）大功率电机负荷较多，需要大量电机为生产活动提供动力源。化工供配电系统中大量使用中低压开关柜、电动机等电气设备，对自动化程度和连续生产的高要求,不仅对其供电可靠性越来越高,而且对钢铁工业系统内关键的配电及电动机设备的稳定可靠性也提出了更高的要求。
在工业系统中，温度是表征设备运行正常的重要参数。随着工业用电负荷的不断增长，为了避免因设备发热而导致的突发事件，温度的自动监测已经成为工业安全生产的重要环节。化工生产运行中的电气设备通常长期工作在高电压和大电流状态，设备中存在的某些缺陷会导致设备部件的异常温度升高。造成温度与接触电阻值的恶性循环，最终会导致设备不能正常工作，甚至烧毁，温度过高可能会引起燃烧、爆炸甚至设备损坏或质量事故。高压电气设备，由于故障测试手段有限，特别在开关柜内温度超限点更不易被发现。随着温升时间的延长，温度超限处将因发热而加大氧化程度，进而可能造成烧毁母线、触头、接点毁盘，并引发下游大范围供电线路或重要用电设备突然停电,造成巨大的直接和间接经济损失。近年来,传感器及物联网,设备的在线监测,及大数据分析等技术的快速发展,结合化工工业的特点及需求,新技术的研究与应用对解决此类问题提供了新的解决方案。
2 应用方案及项目案例综
某高分子合成公司坚持科技创新，在新环保、新材料、新能源等领域掌控了大量自主知识产权，在新型环保制冷剂、氟硅高新材料、离子膜等方面打破了多项外国技术垄断，实现了国产化替代，是格力、美的、海尔、海信、大金、三姜、长虹等国内外企业的供应商。当前，公司牢牢抓住中央供给侧结构性改革和省新旧动能转换重大机遇，紧紧围绕科技创新这条主线，着力打造“两个替代”和“智能制造”新引擎，在经济新常态下焕发出勃勃生机和活力，经营效益持续攀升。
整个工厂配电10KV系统采用单母线分段，2段进线互为备用；每段进线容量均按照12500KVA容量设计，都能满足全厂区生产运行需求。2进线与母联3个断路器只能合闸2个，母联设置备自投装置。电动机回路要求单独控制，要求柜顶小母线合母、控母、装置电源需设置双小母线。0.4KV系统采用变压器分列运行，中间设置母联柜，并设置防并列连锁，母联配置备自投装置。工艺负荷二级负荷主用电源引自各母线段，备用电源引自厂区箱变。UPS、DCS、控制室主用电源引自1#变压器母线段，备用电源引自应急母线段（应急母线段设置双电源转换开关，主电源引自2#变压器母线段，备用电源引自厂区箱变630A断路器）。
本次项目针对厂区高低压配电室内的10Kv高压柜和0.4Kv低压柜内关键电气连接点进行温度监测。项目要求测温产品能长期稳定运行，并实现配电室本地温度监测及告警和远程温度的监视。经过技术对比,使用无线无源温度传感器+温度采集显示装置+温度监测系统的方案,准确的采集关键部位的温度信号 ,通过控制中心的无线测温监测系统,实现温度信号的实时监测,超温部位及设备准确定位,超温报警,保证关键设备寿命及生产连续性,减少及避免潜在事故的风险。并且测温系统实现了测温信号的移动运维,不仅可以通过智能手机实时监控到关键设备的温度,并能在超温时自动发出报警信号,及时推送到具体负责人员的智能手机终端,实现高效的问题处理,很大的降低配电装置及电气设备事故风险,保证供电可靠性,生产连续性及安全生产。
2.1 无线无源测温:温度传感器+Sub-1G
经过技术对比,选定 ATE400无源无线温度传感器应用于高低压开关柜关键部位测温。其主要性能参数如表1所示.
表1 ATE400温度传感器参数表
ATE400无源无线温度传感器基于一次电流进行感应取电,与测量点直接接触可以确保高性能的准确的温度监测。并且,ATE400非常小巧不占用空间,便于安装调试及后期维护。 ATE400无线通信采用Sub-1G通信技术确保有可靠和强大的通信能力。ATE400的图片及在项目应用中的场景如图1所示。本项目每个回路配置有6个温度传感器，共计三千余只。
图1 ATE400传感器外观及现场高低压柜触头/电缆头应用
2.2 测温采集显示装置
开关柜就地测温显示单元选用ARTM-Pn，每面高低压柜配置1台。ARTM-Pn可无线接收多达60个ATE400传感器的数据，传感器和显示单元之间通过数字ID进行识别，准确定位每个电气发热点的温度。测温装置嵌入式安装在高低压柜面，实时显示各点温度，并且可以根据用户设定预警、报警温度值，实现高温预警、超温告警、相间温差报警、温度突变量告警等功能，装置可存储120条带有时标的告警记录，同时告警时继电器出口可以控制声光报警器帮助用户及时发现故障，尽快分析查找设备故障原因，恢复正常供电。测温装置所有温度数据都可以通过485接口(Modbus-RTU协议)接入边缘计算网关，实现网络组网，将数据上传至无线测温系统。ARTM-Pn测温装置主要性能参数见表4，外观及项目应用中的场景如图2所示。
表2
图2 ARTM-Pn测温装置外观及现场应用
2.3 无线测温系统网络架构
由于测温传感器分布区域广,数量多,测温系统架构采用以太网作为主要架构。现场的各个ATE400温度传感器通过无线传输到温度接收显示装置，温度接收显示装置通过485接口（Modbus-RTU 通信协议）将温度信号传输到各个现场的网关。网关将协议装换为Modbus-TCP 规约,并经现场的以太网交换机,通过光纤通道传输到控制中心的工作站中。测温系统云服务器也接入通信网络,将各ATE400的测温数据上传到云平台,以供智能手机的APP使用。系统网络架构如图3所示。
图3 测温系统网络架构图
2.4无线测温系统
无线测温系统将变配电站内安装ATE400温度传感器的开柜温度数据进行采集处理,实现远程监视系统内所有开关设备运行温度状态。系统具有以下主要功能：
温度显示：就地监控主机显示配电系统内每个测温点的实时值，同时实现远程电脑WEB/手机APP远程查看数据。
温度曲线：查看每个测温点的温度趋势曲线。
运行报表：查询及打印各测温点固定时间的温度数据。
实时告警：系统能够对各测温点异常温度发出告警。系统具有实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警，告警方式有弹窗、语音告警等，还可以短信/APP推送告警消息，及时提醒值班人员。
历史事件查询：能够温度越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析等。
图4 无线测温系统温度显示、报表及曲线等界面
3安科瑞温度在线监测系统解决方案
3.1概述
电气接点在线测温装置适用于高低压开关柜内电缆接头、断路器触头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测，防止在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接点接触 电阻过大而发热成为安全隐患，提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态，降低设备事故率。
Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS 485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通讯，系统设计遵循国际标准Modbus-RTU、Modbus-TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。该系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能，可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
3.2应用场所
适合在泛在电力物联网、钢厂、化工、水泥、数据中心、医院、机场、电厂、煤矿等厂矿企业、变配电所等电力设备的温度监测。
3.3系统结构
温度在线监测系统结构图
3.4系统功能
测温系统主机Acrel-2000T安装于值班监控室，可以远程监视系统内所有开关设备运行温度状态。系统具有以下主要功能：
温度显示
显示配电系统内每个测温点的实时值，也可实现电脑WEB/手机APP远程查看数据。
温度曲线
查看每个测温点的温度趋势曲线。
运行报表
查询及打印各测温点固定时间的温度数据。
实时告警
系统能够对各测温点异常温度发出告警。系统具有实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警，告警方式有弹窗、语音告警等，还可以短信/APP推送告警消息，及时提醒值班人员。
历史事件查询
能够温度越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析等。
3.5系统硬件配置
温度在线监测系统主要由设备层的温度传感器和温度采集/显示单元，通讯层的边缘计算网关以及站控层的测温系统主机组成，实现变配电系统关键电气部位的温度在线监测。
4 结语
无线测温装置及系统在化工企业的智能化测温应用, 解决了长期以来电气设备需要人工现场测温，数据存储困难等问题，大大减少了设备检修预试停电次数和时间，减轻了日常巡检的工作量。测温系统提供温度异常告警、实时设备温度采集、周期性温度监测及报表、设备状态评估等功能,能减少及避免重大因温度导致故障的发生。系统运用效果良好,大量减少了运维及管理人员的工作量,提高了检修操作的准确度。其次,随着技术的发展和其它传感器的应用,从不同角度获得关键设备及系统的数据,更客观地进行设备及系统监测,作为下步研究工作方向之一。随着社会的发展，企业生产用电的需求越来越大，电力无线测温提供一种新的测温方式，对配电系统内的设备安全稳定运行具有重要意义。