Anwendung eines drahtlosen Temperaturmesssystems in elektrischen Hochspannungsgeräten von Kohlebergwerken

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Acrel Co., Ltd.

Abstrakt:Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Sozialwirtschaft entwickelt sich das Stromnetz in Richtung Hochspannung und hohe Kapazität. Neue Technologien und Geräte für das Stromnetz entstehen in ständiger Folge, und die Stromübertragungskapazität verbessert sich kontinuierlich. Die von Hochspannungsgeräten getragene Hochspannungslast führt jedoch auch zu einem Temperaturanstieg, der die Stabilität des Stromnetzes gefährdet. Die Gerätetemperatur ist zu einem wichtigen Parameter für den stabilen Betrieb von Stromübertragungsgeräten im aktuellen Stromnetz geworden. Ausgehend von den Ursachen für den Temperaturanstieg von Hochspannungsgeräten analysiert dieser Artikel den Aufbau und die Anwendung des drahtlosen Temperaturmesssystems, analysiert die Vor- und Nachteile seiner Anwendung und liefert Anwendungsbeispiele, die als Referenz für den stabilen Betrieb und die Entwicklung des Stromnetzes unseres Landes dienen.

Stichwort:Drahtloses Temperaturmesssystem; elektrische Hochspannungsgeräte; Vor- und Nachteile

Die Hochspannungsgeräte im Stromnetz unseres Landes verfügen über eine Vielzahl von Anschlusspunkten, wie z. B. isolierte Schalterverbindungen, Sammelschienenknoten usw. Aufgrund von Qualitätsproblemen bei der Herstellung oder im Sicherheitsprozess weisen viele Geräte Probleme mit dem Kontakt auf und während des Gebrauchs entsteht ein großer Widerstand, der zu Temperaturanstiegsproblemen führt.

1. Gründe für den Temperaturanstieg von Hochspannungsgeräten

Die Anwendung des Temperaturmesssystems ist untrennbar mit der Analyse der Ursache des Temperaturanstiegsproblems verbunden. Erstens sind Qualitäts- und Installationsprobleme der Hochspannungsgeräte selbst, insbesondere an den Verbindungsstellen der Geräteschrauben, zu berücksichtigen. Ob die Verbindungspunkte den Normen entsprechen und ob die Dichtheit den Normen entspricht, wirkt sich auf die Stärke des Widerstands aus. Bei vielen Geräteanschlüssen treten während der Installation Unebenheiten und Probleme auf. Unzureichendes Schleifen führt außerdem zu erhöhtem Widerstand und schlechtem Kontakt, was die Verwendung der Geräte beeinträchtigt und das Problem des Temperaturanstiegs deutlich macht. Zweitens kann ein nachlässiger Schutz während des Transports von Hochspannungsgeräten zu Stößen führen, die zu einer Verformung der Verbindungspunkte oder wichtiger Teile und somit zu einem schlechten Kontakt führen. Drittens ist die Metalloberfläche von Hochspannungsgeräten selbst anfällig für Korrosions- oder Oxidationsreaktionen, und Probleme auf der Oberfläche der Geräte beeinträchtigen auch den Kontakt der Geräte. Schlechte Arbeitsbedingungen für manche elektrische Geräte, wie hohe Temperaturen, Regen, Schnee und starker Wind, beschleunigen deren Alterung und führen zu ernsthaften Temperaturproblemen. Viertens beeinträchtigen externe Faktoren den Kontakt an den Anschlüssen der Geräte. Viele Betriebsstätten von Geräten sind relativ komplex, und verschiedene Zusammenhänge wie Installation, Verwendung und Wartung der Geräte sind fehleranfällig, was zu schlechtem Kontakt vieler Kabelstecker und Trennschalter und ernsthaften Temperaturproblemen führt. Fünftens stehen die Geräte lange Zeit unter hohem Lastdruck. Die Hochspannungsgeräte selbst übertragen und verwenden Hochspannungsstrom. Sobald der Strom zu groß wird und die Tragfähigkeit des Geräts überschreitet, steigt die Temperatur des Geräts zusammen mit der thermischen Wirkung des Stroms schnell an.

Im tatsächlichen Gerätebetrieb treten die oben genannten fünf Probleme an den Verbindungsstellen von Leistungsschaltern, Trennschaltern, Kabelverbindungen, Durchführungen und Sammelschienen usw. auf. Diese Bereiche weisen viele Fehler auf und sind anfällig für Temperaturanstiege. Bei der täglichen Inspektion und Wartung sollte sich das Personal auf Inspektion und Wartung konzentrieren. Bei der Inspektion des Geräts kann durch die Temperaturmessung des Geräts nicht nur dessen Zustand während des Betriebs erfasst, sondern auch übermäßige Hitze, die durch schlechten Kontakt oder Überlastung entsteht, rechtzeitig erkannt werden. Im geladenen Zustand ist es aufgrund der Einflüsse von Strom und Wärme normal, dass die Innentemperatur höher ist als die Außentemperatur. Temperaturänderungen aufgrund von Geräteausfällen oder Überlastung müssen jedoch genau überwacht werden. Dieser Temperaturanstieg beschleunigt die Alterung des Geräts, verkürzt dadurch dessen Lebensdauer und kann sogar zum Durchbrennen des Geräts führen. Daher ist der Einsatz eines Temperaturmesssystems für Hochspannungsgeräte unbedingt erforderlich.

In China sind die am häufigsten verwendeten Temperaturmessverfahren für Hochspannungsgeräte die Wachschip-Temperaturanzeige, die Infrarot-Temperaturmessung, die Glasfaser-Temperaturmessung und das drahtlose Temperaturmesssystem. Sowohl die Temperaturanzeige als auch das Infrarot-Thermometer werden manuell bedient, und die Daten können nicht in Echtzeit erfasst werden. Durch die Glasfasermessung können Messergebnisse in Echtzeit erhalten werden. Bei Hoch- und Niederspannung kann das System jedoch Umweltfaktoren nicht vollständig isolieren und die Anforderungen der Spezifikationen für elektrische Messtechnik für Hochspannungsgeräte nicht erfüllen. Auch beim Einbau in einen Schaltschrank ergeben sich große Hindernisse aufgrund von Problemen wie der mangelnden Temperaturbeständigkeit der Glasfaser und der schwierigen Verkabelung. Die vorhandene drahtlose Temperaturmesstechnik basiert hauptsächlich auf dem aktuellen drahtlosen Übertragungsmodus, um die Verbindungs- und Befestigungsprobleme der Primär- und Sekundärschleifen zu überwinden und so die Sicherheit bei der Anwendung von Hochspannungsgeräten zu verbessern.

2. Analyse der Struktur und Geräteanwendung des drahtlosen Temperaturmesssystems

Das drahtlose Temperaturmesssystem besteht aus einem Temperatursensor, einem Teil zur Anzeige und Analyse der Temperaturüberwachungsergebnisse sowie der Hard- und Software des Systems. Das in Abbildung 1 dargestellte drahtlose Temperaturmesssystem für Hochspannungsanlagen besteht üblicherweise aus Temperatursensoren an den Verbindungsstellen von Schaltschränken, Kabelverbindungen, Sicherungen usw. Um die Messgenauigkeit zu gewährleisten, befindet sich der Sensor üblicherweise an der gleichen Spannungsposition wie das Prüfobjekt. Das erfasste Signal wird dann drahtlos übertragen und angezeigt. Um die Sicherheit der Temperaturmessung zu gewährleisten, sind die Hoch- und Niederspannungsteile isoliert, um Leckagen und andere Unfälle zu vermeiden. Üblicherweise sind an der Außenseite der Geräte mehrere Kanäle für die Echtzeitüberwachung und Datenverarbeitung mehrerer Standorte vorgesehen. Anschließend werden die vom Empfänger empfangenen Daten über die serielle oder parallele Schnittstelle an den Computer übertragen und von einem vorprogrammierten Programm analysiert und verarbeitet.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des Aufbaus des drahtlosen Temperaturmesssystems für Hochspannungsanlagen

2.1 Temperatursensor

Die Funktion des Temperatursensors besteht darin, das Temperatursignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Normalerweise wird ein Pt100-Thermoelementmessgerät verwendet, dessen Messgenauigkeit 0,1 Grad Celsius erreichen kann. Es kann auch ein Miniatur-Stromsensor mit Nullfluss verwendet werden, der ebenfalls einen hohen Anwendungswert hat. Technisch gesehen wählt der Magnetsensor verlustarmes Permalloy als Eisenkern und verwendet eine spezielle Unterdrucktechnologie und Schutzmittel, um eine automatische Kompensation des Eisenkerns zu realisieren, sodass sich der Eisenkern im idealen Betriebszustand mit Null-Magnetfluss befindet. Neben dem Temperaturmessgerät enthält der drahtlose Temperatursensor auch eine Stromversorgung, eine Messschaltung, eine Logiksteuerschaltung und eine Funkkommunikationsschaltung mit einer bestimmten Frequenz. Um sich an höhere Arbeitsbedingungen anzupassen, wird er im Allgemeinen in Hochtemperatur- und Hochdruck-Schrumpfschläuchen verpackt und verfügt über bestimmte wasser- und staubdichte Eigenschaften, um eine langfristige Nutzung zu gewährleisten. Da der Arbeitsbereich von drahtlosen Temperaturmessgeräten normalerweise klein ist, sollte seine Größe so weit wie möglich reduziert werden, um den Arbeitsbedingungen während des Gebrauchs gerecht zu werden. Bei Verwendung eines Temperatursensors kann hitzebeständiger Klebedraht oder Klebetechnologie verwendet werden, um das wärmeempfindliche Element mit der Oberfläche des Objekts zu verbinden. Achten Sie jedoch darauf, die Kontaktpunkte nahe zu halten, um die Messung zu reduzieren Fehler. Der drahtlose Temperatursensor sollte einen breiten linearen Arbeitsbereich haben. Normalerweise wird ein Temperatursensorelement von -55 bis 130 Grad Celsius ausgewählt, und der Temperatursensor wird entsprechend den Anforderungen an Messgenauigkeit und Messfehler unter verschiedenen Arbeitsbedingungen ausgewählt.

2.2 Drahtloser Temperaturmelder

Das drahtlose Temperaturmeldersystem verfügt über mehrere Empfangskanäle, die verschiedene Messpunkte in Echtzeit verarbeiten und anzeigen können. Der drahtlose Temperaturmelder verfügt über Beurteilungs- und Fehlerbehandlungsfunktionen. Das Personal legt vorab eine Sicherheitszone fest, und die erfassten Informationen werden vom drahtlosen Temperaturmelder mit dem eingestellten Grenzwert verglichen. Überschreitet die Temperatur den Grenzwert, wird das Fehlerverarbeitungsmodul aktiviert und ein Warntext ausgegeben. Zusätzlich werden hohe und niedrige Pegel ausgegeben, um das Alarmsignal und den Ton auszulösen. Neben den grundlegenden Erkennungs- und Alarmfunktionen kann der drahtlose Temperaturmelder auch Informationen übertragen. Er kann über eine Datenleitung oder einen seriellen/parallelen Kommunikationschip mit einem Computer verbunden werden. Mitarbeiter können mehrere Schalter und Kontaktteile in Echtzeit überwachen und ihren Betriebszustand kontrollieren, um Sicherheitsprobleme rechtzeitig zu erkennen.

2.3 Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem

Im Vergleich zu den oben genannten Hardwarekomponenten wie Sensoren und Detektoren basiert das Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem stärker auf Software als das drahtlose Temperaturmesssystem. Das Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem integriert den gesamten Betrieb der drahtlosen Temperaturmesshardware, die Datenverarbeitung, die Signalerfassung und weitere Funktionen. Es kommuniziert über die Client-Schnittstelle mit dem Personal und lädt Anweisungen hoch und gibt sie aus. Um den Arbeitsaufwand der Bediener zu reduzieren, haben Techniker ein Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem entwickelt, das die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt und die Temperaturmessergebnisse der Hardware analysiert und verarbeitet. Das Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem bietet Funktionen wie Temperaturanzeige, Datenspeicherung, Analyse und Vergleich historischer Daten, Fehlerwarnung, Fehleranalyse und Analyse des Gerätebetriebszustands und kann die Funktionen der Hardware integrieren und ergänzen. Bei der Entwicklung des Echtzeit-Temperaturüberwachungssystems können modulare Designmethoden für die redundante Datenverarbeitung eingesetzt werden. Jede Moduleinheit wird nach Funktion zerlegt, und die Daten werden nach Kategorien gespeichert und verarbeitet. Diese modulare Designmethode erhöht die Anwendbarkeit und Sicherheit des Echtzeit-Temperaturüberwachungssystems. Das Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem kann technische Mitarbeiter beim Erfassen, Extrahieren, Vergleichen und Analysieren großer Datenmengen unterstützen und kann je nach Temperatur verschiedener Geräte in Echtzeit verschiedene anormale Zustände melden, um den normalen Betrieb verschiedener Geräte sicherzustellen. Gleichzeitig verfügt das Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem auch über gute mathematische Rechen- und Visualisierungsfunktionen, sodass die Daten eines bestimmten Zeitraums als Diagramm angezeigt und markiert werden können, um die spätere Wartung zu erleichtern.

3. Vor- und Nachteile eines drahtlosen Temperaturmesssystems für Hochspannungsgeräte

3.1 Technische Vorteile des drahtlosen Temperaturmesssystems in elektrischen Geräten

Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie wurden drahtlose Temperaturmesssysteme mehrfach verbessert und aktualisiert. Ihre Leistung wurde immer besser und die Temperaturüberwachung immer genauer. Die aktuelle Energieversorgung erfordert zunehmend präzisere und Echtzeit-Temperaturmesssysteme, insbesondere für Hochspannungsgeräte. Das drahtlose Temperaturmesssystem wird außerdem ständig an die Anwendung von Hochspannungsgeräten angepasst. Hinsichtlich des Signalempfangs sendet das drahtlose Temperaturmesssystem basierend auf den Eigenschaften von Hochspannungsgeräten eine höhere Signalfrequenz, die eine gute Stabilität aufweist und resistent gegen äußere Einflüsse ist. Für die Signalübertragung wird drahtlose Kommunikationstechnologie verwendet. Diese ist relativ einfach, verbraucht wenig Energie und ist kostengünstig. Die empfangenen Daten können analysiert und verarbeitet werden. Der Betriebszustand des Geräts kann in Echtzeit überwacht werden, unabhängig von wetterbedingten Einschränkungen. Die Temperatur des Geräts kann in Echtzeit überwacht werden, um Fehlerkennungen zu vermeiden. Gleichzeitig kann der Übertemperaturalarm des Geräts entsprechend den Anforderungen des Benutzers eingestellt werden und der Bediener kann durch Ton und Signal an den spezifischen Standort des Geräts erinnert werden.

3.2 Unzureichende Anwendung des drahtlosen Temperaturmesssystems in elektrischen Geräten

Die Temperaturmessung von Hochspannungsanlagen mithilfe eines drahtlosen Temperaturmesssystems reduziert den Inspektionsaufwand der Umspannwerksbetreiber und verbessert gleichzeitig deren Sicherheit. Drahtlose Temperaturmesssysteme weisen im praktischen Einsatz jedoch auch gewisse Nachteile auf. Erstens handelt es sich bei drahtlosen Temperaturmesssystemen um eine aktive Technologie, die eine eingebaute Batterie zur Stromversorgung benötigt. Bei leerer Batterie schaltet sich das drahtlose Temperaturmesssystem automatisch ab. Das Personal kann die Temperatur des Geräts nicht mehr ablesen und die Verbindung nur durch Trennen der Leitung und Austausch der Batterie wiederherstellen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Schaltvorgänge und ungeplanten Stromausfälle im Umspannwerk erheblich. Um dieses Problem zu lösen, können wir die Technologie verbessern, die eingebaute Batterie durch eine passive Stromversorgung ersetzen und die vom Festkommastrom erzeugten elektromagnetischen Wellen zur Stromversorgung nutzen. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des gesamten Systems verbessert. Zweitens versagen einige Temperaturkontrollanzeigen der Stromversorgungsgeräte in der Praxis häufig. Es wird vorläufig davon ausgegangen, dass die Batterie des drahtlosen Temperaturmesssensors unzureichend ist. Nach einem Stromausfall und dem Austausch des drahtlosen Temperaturmesssensors besteht dieses Phänomen weiterhin. In diesem Fall ist es notwendig, den Standort zu ermitteln, die Installation des Empfangsgeräts zu debuggen und den Abstand zwischen dem Temperaturmesspunkt und dem drahtlosen Temperaturmesssystem zu verkürzen, um diese Situation zu vermeiden. Darüber hinaus kann der drahtlose Temperatursensor mit seiner eigenen aktiven Technologie die Batterie nicht ersetzen. Wenn festgestellt wird, dass die Batterie nicht ausreicht, muss der drahtlose Sensor ausgetauscht werden. Dies erhöht nicht nur die Wartungskosten des Geräts, sondern führt auch zu einem Ressourcenverbrauch des Geräts.

4.Anwendungsbeispiele für drahtlose Temperaturmesssysteme

Im Vergleich zur ausländischen Technologie für drahtlose Temperaturmesssysteme hinkt die Entwicklung der inländischen Temperaturmesstechnologie relativ hinterher. Aufgrund der kontinuierlichen Aufmerksamkeit der inländischen Industrie in den letzten Jahren konnten jedoch die Investitionen, Arbeitskräfte und Materialressourcen in diesem Bereich verbessert werden. In der Energiewirtschaft gibt es viele Zusatzgeräte, insbesondere Überwachungsgeräte für den Strombetrieb. Das heißt, wenn die Leitung eine bestimmte Last oder hohe Temperatur erreicht, unterbricht das Gerät automatisch die Stromversorgung, um Unfälle zu vermeiden. Diese praktischen neuen Produkte werden hauptsächlich in Hochspannungsgeräten verwendet und ihre Schnittstellen sind vorinstalliert und können nicht ausgetauscht werden. Obwohl dadurch die Widerstandsentwicklung bis zu einem gewissen Grad reduziert wird, kann es bei längerem Betrieb leicht zu Ausfällen kommen, da der Widerstand des Geräts selbst zunimmt und die Wärme während des Betriebs zunimmt. Über einen längeren Zeitraum können daher leicht Sicherheitsunfälle verursacht werden, die die Gesundheit von Personen und Eigentum gefährden. Als Reaktion auf diese Situation haben einige inländische Unternehmen die drahtlose Temperaturmesstechnologie in der Stromerzeugung eingesetzt. Aufgrund der Popularität dieser Technologie wird sie heute nicht nur in der Energiebranche, sondern auch in anderen Branchen mit Temperaturanstiegsproblemen häufig eingesetzt.

5. Anwendungsszenarien

Das Online-Temperaturmessgerät für elektrische Kontakte eignet sich zur Temperaturüberwachung von Kabelverbindungen in Hoch- und Niederspannungsschaltschränken, Leistungsschalterkontakten, Messerschaltern, Hochspannungskabelzwischenköpfen, Trockentransformatoren sowie Niederspannungs- und Hochstromgeräten. Es kann potenzielle Sicherheitsrisiken durch übermäßigen Kontaktwiderstand und Erwärmung aufgrund von Oxidation, Lockerheit, Staub und anderen Faktoren während des Betriebs verhindern. Dadurch wird die Gerätesicherheit verbessert, der Betriebszustand der Geräte zeitnah, kontinuierlich und genau dargestellt und die Unfallrate gesenkt.

6. Systemhardwarekonfiguration

7. Fazit

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von Sensoren, drahtloser Datenkommunikation, Data Mining und anderen Technologien wird die Echtzeit-Überwachung der elektrischen Hochspannungstemperatur immer wissenschaftlicher. Mit der Anwendung und Verbreitung des drahtlosen Temperaturmesssystems ist auch die Energiewirtschaft unseres Landes stabiler und sicherer geworden, und ihr technologischer Fortschritt hat zur Entwicklung unseres Landes beigetragen.

Quellen:

[1] Acrel Enterprise Microgrid Design- und Anwendungshandbuch. Version 2022.05

Das Online-Temperaturüberwachungssystem besteht hauptsächlich aus einem Temperatursensor und einer Temperaturerfassungs-/Anzeigeeinheit auf der Geräteebene, einem Edge-Computing-Gateway auf der Kommunikationsebene und einem Host für das Temperaturmesssystem auf der Stationssteuerungsebene, um eine Online-Temperaturüberwachung wichtiger elektrischer Teile des Stromumwandlungs- und -verteilungssystems zu ermöglichen.