炭鉱高電圧電気設備における無線温度測定システムの応用

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株式会社アクレ

抽象的な：社会経済の継続的な発展に伴い、電力システムは高電圧・大容量化の方向へと進んでいます。電力システムの新技術・新設備は次々と登場し、送電容量は向上し続けています。しかし、高電圧電気機器が担う高電圧電力負荷は、機器自身の温度上昇を電力網の安定性を脅かす要因にもしています。機器温度は、現在の電力網において送電設備の安定運用にとって重要なパラメータとなっています。本稿では、高電圧電気機器の温度上昇の原因を踏まえ、無線温度測定システムの構造と応用を分析し、その適用における長所と短所を分析し、応用例を提示することで、我が国の電力システムの安定運用と発展の参考とします。

キーワード：無線温度測定システム、高電圧電気機器、長所と短所

我が国の電力系統における高電圧電気設備には、絶縁されたスイッチジョイント、バスバーノードなどのさまざまな接続ポイントがあります。製造または安全プロセスにおける品質問題により、多くのデバイスで接触不良の問題が発生し、使用中に大きな抵抗が発生し、温度上昇の問題が発生します。

1.高電圧電気機器の温度上昇の理由

温度測定システムの適用は、温度上昇問題の原因分析と切り離せない。1つ目は、高電圧電気機器自体の品質と設置の問題、特に機器のボルト接合部における問題である。接続点が規格に適合しているかどうか、また気密性が規格に適合しているかどうかは、抵抗の強さに影響する。多くの機器接続部は、設置時に凹凸や粗さの問題が発生する。研磨が不十分だと抵抗が増加し接触不良になり、機器の使用に影響を及ぼし、温度上昇の問題が顕著になる。2つ目は、高電圧電気機器の輸送中に不注意な保護を行うと、衝撃が生じ、接続点や主要部品が変形し、接触不良が発生する。3つ目は、高電圧電気機器の金属表面自体が腐食や酸化反応を起こしやすいため、機器表面の問題も機器の接触に影響を及ぼします。高温、雨、雪、強風など、一部の電気機器の劣悪な作業環境は、機器自体の老朽化を加速させ、深刻な温度上昇の問題を引き起こします。第4に、外部要因は機器の接続部の接触不良に影響を与えます。多くの機器の操作現場は比較的複雑であり、機器の設置、使用、保守などのさまざまなリンクもミスが発生しやすく、多くのケーブルコネクタと遮断スイッチの接触不良が発生し、深刻な温度上昇の問題が発生します。第5に、機器は長時間高い負荷圧力を受けます。高電圧電気機器自体は、高電圧の送電と印加を担っています。電流が大きすぎて機器の容量を超えると、電流自体の熱影響と相まって、機器の温度が急激に上昇します。

実際の設備運用では、上記の5つの問題は、遮断器、断路器、ケーブル接続部、ブッシング、バスバーなどの接合部で発生します。これらの箇所は故障が多く、温度上昇の問題が発生しやすい箇所です。日常の点検・保守では、担当者は点検・保守に重点を置く必要があります。設備の点検中に、機器の温度を測定することで、使用中の機器の状態を把握できるだけでなく、接触不良や過負荷による過度の熱発生を適時に検出できます。充電状態では、電流と熱の影響により、内部温度が外界よりも高くなるのは正常ですが、設備自体の故障や過負荷による熱変化も綿密に監視する必要があります。この温度上昇の問題は、設備の老朽化を加速させ、寿命を縮め、さらには焼損につながる可能性があります。そのため、高電圧電気設備に温度測定システムを適用することが非常に重要です。

中国では、高電圧電力設備の温度測定方法として、温度表示ワックスチップ法、赤外線温度測定法、光ファイバ温度測定法、無線温度測定システムが最も多く採用されています。温度表示法と赤外線温度計はいずれも手動で操作するため、リアルタイムでデータを収集することができません。光ファイバ測定では、リアルタイムの測定結果を得ることができます。しかし、高電圧と低電圧の場合、環境要因を完全に遮断することができず、高電圧計器の電気計装規格の要求を満たすことができません。また、キャビネット内に設置する場合、光ファイバが高温に耐えられず、配線が難しいなどの問題があり、設置にも大きな障害があります。既存の無線温度測定技術は、主に現在の無線伝送方式を採用することで、一次ループと二次ループの接続・取り付け問題を克服し、高電圧電力使用の安全性を向上させています。

2. 無線温度測定システムの構造と機器の応用の分析

無線温度測定システムの構成は、温度センサー部分と温度監視結果表示・分析部分、およびシステムのハードウェアとソフトウェアに分けられます。図1に示す高圧電力設備用無線温度測定システムの構造は、通常、配電盤、ケーブルジョイント、ヒューズなどの接合部に温度センサーを設置します。測定精度を確保するために、センサーは通常、試験対象物と同じ電圧位置にあり、収集した信号は無線技術を使用して伝送・表示されます。温度測定の安全性を確保するために、高電圧および低電圧の動作部分は絶縁されており、漏電などの事故を防止します。通常、動作機器の外表面には複数のチャネルが設けられ、複数の場所をリアルタイムで監視およびデータ処理します。その後、受信機で受信したデータは、シリアルポートまたはパラレルポートを介してコンピュータに送信され、事前にプログラムされたプログラムによって分析・処理されます。

図1 高電圧電力機器用無線温度計測システムの構造概略図

2.1 温度センサー

温度センサーの機能は、温度信号を電気信号に変換することです。通常、Pt100熱電対メーターが使用され、その測定精度は0.1℃に達します。ゼロ磁束の小型電流センサーも使用可能で、これも高い応用価値を持っています。技術的には、磁気センサーは低損失パーマロイを鉄心に採用し、特殊な負圧技術と保護手段を用いて鉄心の自動補償を実現することで、鉄心をゼロ磁束の理想的な動作状態に保ちます。ワイヤレス温度センサーは、温度測定装置に加えて、電源、測定回路、論理制御回路、および特定の周波数での無線通信回路も備えています。より高い動作条件に適応するために、通常は高温高圧の熱収縮チューブにパッケージ化されており、長期使用を保証するために一定の防水性と防塵性を備えています。ワイヤレス温度測定装置の動作領域は通常狭いため、使用時の動作条件を満たすように、そのサイズを可能な限り小さくする必要があります。温度センサーを使用する場合、耐熱接着線または接着技術を使用して感熱素子を物体の表面と結合することができますが、測定温度を下げるために接触点を近づけるように注意する必要があります。ワイヤレス温度センサーは、広い直線動作範囲を持つ必要があります。通常、-55～130℃の温度センサー素子が選択され、様々な動作条件における測定精度と測定誤差の要件に応じて温度センサーが選択されます。

2.2 ワイヤレス温度検出器

無線温度検知システムは複数の受信チャンネルを備えており、複数の異なる測定ポイントをリアルタイムで処理・表示することができます。無線温度検知器には、判断機能と故障処理機能があります。作業員が事前に安全ゾーンを設定し、無線温度検知器が収集した情報を設定された閾値と比較します。温度が閾値を超えると、故障処理モジュールに入り、警告テキストを出力し、高低レベルのセットを出力して警報信号と音を発します。基本的な検知機能と警報機能に加えて、無線温度検知器は情報伝送機能も備えています。データラインまたはシリアル/パラレルポート通信チップを介してコンピューターに接続することができ、作業員は複数のスイッチや接触部品をリアルタイムで監視し、その動作状態を制御することで、既存の安全上の問題をタイムリーに発見することができます。

2.3 リアルタイム温度監視システム

リアルタイム温度監視システムは、前述のセンサーや検出器などのハードウェア設備と比較して、無線温度測定システムの中でソフトウェアシステムに傾倒しています。リアルタイム温度監視システムは、無線温度測定ハードウェア全体の操作、データ処理、信号収集などの機能を統合したものです。クライアントインターフェースを介してスタッフと通信し、指示をアップロードおよび発行します。オペレーターの労働強度を軽減するために、技術者は上記の説明を満たすリアルタイム温度監視システムを開発し、ハードウェア部分の温度測定結果を分析および処理しました。リアルタイム温度監視システムは、温度表示、データ保存、履歴データ分析と比較、障害警告、障害分析、機器の動作状態分析などの機能を備えており、ハードウェア部分の機能を統合および補完できます。リアルタイム温度監視システムの設計では、冗長データ処理作業にいくつかのモジュール設計手法を使用でき、各モジュールユニットは機能に応じて分解され、データはカテゴリ別に保存および処理されます。このモジュール設計方式により、リアルタイム温度監視システムの適用性と安全性が向上します。リアルタイム温度監視システムは、技術者による大量のデータの収集、抽出、比較、分析を支援し、さまざまな機器の温度に応じてさまざまな異常状態をリアルタイムで報告することで、各種機器の正常な動作を確保します。同時に、リアルタイム温度監視システムは優れた演算処理能力と可視化性能を備えており、一定期間のデータをチャートとして表示したり、データにマークを付けて後日のメンテナンスを容易にしたりすることも可能です。

3. 高電圧電気機器に適用される無線温度測定システムの利点と欠点

3.1 電気機器に適用される無線温度測定システムの技術的利点

科学技術の進歩に伴い、無線温度測定システムは数々のアップグレードとアップデートを経て、その性能はますます強力になり、温度監視はますます正確になっています。現在の電力構造では、特に高電圧電気機器において、無線温度測定システムはよりリアルタイムで正確であることが求められています。無線温度測定システムは、高電圧電気機器の応用に合わせて常に調整されています。信号受信の面では、無線温度測定システムは高電圧電気機器の特性に基づいてより高い信号周波数を拡張し、安定性に優れ、外部要因による妨害を受けにくいです。信号伝送には無線通信技術が採用されており、比較的シンプルで、エネルギー消費とコストが低く、受信データに基づいて分析・処理できるため、気象条件の制約に影響されることなく、機器の動作状態をリアルタイムで監視できます。機器の温度をリアルタイムで監視することで、検出漏れを回避できます。同時に、装置の過熱アラームはユーザーのニーズに応じて設定することができ、オペレータは音と信号を通じて特定の機器の位置を思い出すことができます。

3.2 電気機器における無線温度測定システムの不十分な適用

無線温度測定システムを用いた高圧電気設備の温度測定は、変電所作業員の検査作業負荷を軽減し、同時に設備の安全性能を向上させます。しかし、実際の使用においては、無線温度測定システムにも一定の欠点があります。まず、無線温度測定システムは能動的な技術であり、電源として内蔵バッテリーが必要です。バッテリーが消耗すると、無線温度測定システムは自動的にシャットダウンし、作業員は装置の温度を確認できず、回線を切断してバッテリーを交換することでしか接続を回復できません。その結果、変電所のスイッチング操作回数と計画外の停電が大幅に増加します。この問題を解決するために、技術を改良し、内蔵バッテリーを受動電源に置き換え、定点電流によって発生する電磁波を電源として使用することで、システム全体の信頼性を向上させることができます。次に、電源装置の一部の温度制御インジケータは、実際のアプリケーションで頻繁に故障します。無線温度測定センサーの電池残量が不足していると事前に判断されます。停電後、無線温度測定センサーを交換しても、この現象は依然として発生します。この場合、現場を検知し、受信側の設置をデバッグし、温度測定点と無線温度測定システム間の距離を短くすることで、この状況を回避する必要があります。また、独自のアクティブ技術を搭載した無線温度センサーは電池交換ができません。電池残量が不足していることを検知した場合、無線センサーを交換する必要があります。これは、機器のメンテナンスコストを増加させるだけでなく、機器の資源消費にもつながります。

4.無線温度測定システムの応用例

海外の無線温度測定システム技術と比較すると、国内の温度測定技術の発展は比較的遅れていますが、近年、国内業界の継続的な関心により、この分野への投資、人材、物的資源は向上しています。電力業界には多くの補助機器デバイス、特に電力操作用の監視機器があります。つまり、回線が一定の負荷または高温に達すると、デバイスは自動的に電源供給を停止して事故を回避します。これらの実用的な新製品は、主に高電圧電気機器に使用され、そのインターフェースはプリインストールされており、交換できません。ある程度抵抗の発生は軽減されますが、長期間の使用により故障が発生しやすく、デバイス自体の抵抗が増加し、動作中に熱が増加します。そのため、長期間使用すると安全事故が発生しやすく、人身や財産の健康を危険にさらします。このような状況を受けて、国内の一部の企業は、無線温度測定技術を発電に応用しています。この技術の普及に伴い、現在では電力業界だけでなく、温度上昇の問題を抱える他の業界でも広く利用されるようになっています。

5. 適用シナリオ

電気接点オンライン温度測定装置は、高電圧・低電圧配電盤、遮断器接点、ナイフスイッチ、高電圧ケーブル中間ヘッド、乾式変圧器、低電圧・大電流機器などのケーブル接続部の温度監視に適しています。運転中の酸化、緩み、粉塵などによる過度の接触抵抗や発熱による潜在的な安全上の危険を防止し、設備の安全性を向上させ、設備の運転状況をタイムリーかつ継続的に正確に反映し、設備の事故率を低減します。

6. システムハードウェア構成

7. 結論

センサー、無線データ通信、データマイニングなどの技術の継続的な発展により、高電圧電気温度のリアルタイム監視システムはより科学的になります。無線温度測定システムの応用と普及により、我が国の電力産業はより安定し、安全性も向上し、その技術進歩は我が国の発展に貢献しています。

参考文献:

[1] Acrelエンタープライズマイクログリッド設計およびアプリケーションマニュアル。バージョン2022.05

温度オンライン監視システムは、主に設備層の温度センサーと温度取得/表示装置、通信層のエッジコンピューティングゲートウェイ、ステーション制御層の温度測定システムホストで構成され、電力変電および配電システムの重要な電気部品のオンライン温度監視を実現します。