開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

康小平，胡元輝，林吉，鄭振華

(浙江寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315010)

1 引言

開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵主設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性具有重大影響。統(tǒng)計(jì)表明，20世紀(jì)90年代中國(guó)電力系統(tǒng)開(kāi)關(guān)事故類(lèi)型分布如下:機(jī)械故障(拒分、拒合、誤動(dòng))33.3%，絕緣故障37.3%，溫升故障(載流)8.9%，其他20.5%。因此，有必要對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的機(jī)械、溫升及絕緣狀態(tài)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，防止事故發(fā)生［1］。

目前，開(kāi)關(guān)設(shè)備的維修方式正向狀態(tài)維修方向發(fā)展，而在線監(jiān)測(cè)、診斷技術(shù)則是狀態(tài)維修的重要依據(jù)，同時(shí)也是提高設(shè)備運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)。

2 開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)方法

目前，傳統(tǒng)的測(cè)溫方式主要采用粘貼示溫臘片、紅外成像等，但為了保證高壓開(kāi)關(guān)柜較高的防護(hù)等級(jí)要求，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件互相遮擋較多，有很多位置無(wú)法直接觀察到臘片熔化情況或者無(wú)法通過(guò)紅外熱像儀直接獲得相應(yīng)的紅外圖譜，而且紅外儀成本較高，因此傳統(tǒng)的測(cè)溫方式對(duì)開(kāi)關(guān)柜還存在較多盲點(diǎn)。針對(duì)人工巡檢的不足，各科研院所和生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)了一系列新型的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)裝置，在一定程度上克服了人工巡檢的弱點(diǎn)。如紅外探頭測(cè)溫、接觸式測(cè)溫紅外線傳輸、無(wú)線傳輸、光纖測(cè)溫等，幾種測(cè)溫原理的優(yōu)劣比較如下。

2.1 紅外探頭測(cè)溫

采用紅外探頭測(cè)溫是在開(kāi)關(guān)柜體上安裝若干紅外測(cè)溫探頭，通過(guò)接收電觸頭的紅外輻射來(lái)確定其溫度(如圖1所示)。但是此種方式容易受到開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部元件對(duì)外紅外輻射光路遮擋的影響，不能準(zhǔn)確得到觸頭溫度，雖然可以采取一定的校正，但紅外輻射的影響因素多具有事變性，無(wú)法一一校對(duì)，此外紅外測(cè)溫為非接觸式測(cè)溫，只能測(cè)設(shè)備表面的溫度，因而這種方式通用性較差，無(wú)法推廣使用［2］。

圖1 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)CT上接頭鋁排發(fā)熱

2.2 接觸式測(cè)溫、紅外信號(hào)傳輸

采用傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器(熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度傳感元件等)測(cè)溫，傳感器信號(hào)處理電路安裝在高壓母線上，電源通過(guò)感應(yīng)線圈從高壓母線獲得。測(cè)量所得信號(hào)經(jīng)數(shù)字編碼后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，由安裝于柜體低電位上的紅外接收管接收紅外信號(hào)，再通過(guò)解碼電路得到溫度數(shù)據(jù)。此種方式需要將溫度檢測(cè)器和獲取電源的感應(yīng)線圈安裝于高壓母線上，這在空間狹小的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部安裝較為困難，同時(shí)有可能減小開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的絕緣凈距。

2.3 接觸式測(cè)溫、無(wú)線信號(hào)傳輸

同樣采用熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度傳感元件實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，傳感器需要通過(guò)高品質(zhì)的電池供電，以實(shí)現(xiàn)與中間處理單元的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，中間處理單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式，采用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)分析及報(bào)警功能，由于采用電池供電，維護(hù)工作量較大，同時(shí)這種方式測(cè)試精度較低，抗電磁干擾性能較差。常見(jiàn)無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)

2.4 光纖測(cè)溫

光纖測(cè)溫的關(guān)鍵部件是溫度傳感器，包括分布式光纖溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器等。光纖溫度傳感器是光纖傳感器中發(fā)展最快的一個(gè)分支，它取代傳統(tǒng)的溫度傳感器，如電阻應(yīng)變片，與電阻應(yīng)變片相比，光纖傳感器具有體積小、重量輕、不受電磁干擾、抗輻射、分布式測(cè)量等顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)，所以它特別適合在易燃、易爆和強(qiáng)電磁等特殊的場(chǎng)合應(yīng)用。

3 開(kāi)關(guān)柜局部放電監(jiān)測(cè)方法

開(kāi)關(guān)柜的可靠性的統(tǒng)計(jì)表明，電氣故障最通常的特征是在完全擊穿前發(fā)生局部放電。而開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部由于制造時(shí)出現(xiàn)毛刺、安裝運(yùn)輸時(shí)部件松動(dòng)或接觸不良引起的電極電位浮動(dòng)、運(yùn)行中絕緣老化以及各種情況下可能出現(xiàn)金屬微粒等各種缺陷都可能導(dǎo)致不同程度的局部放電。長(zhǎng)期的局部放電使絕緣劣化損傷并逐步擴(kuò)大，進(jìn)而造成整個(gè)絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅，導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障。

顯然，對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測(cè)能夠有效地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部早期的絕緣缺陷，以便采取措施，避免其進(jìn)一步發(fā)展，提高開(kāi)關(guān)柜的可靠性。局部放電檢測(cè)技術(shù)不僅可以彌補(bǔ)耐壓試驗(yàn)的不足，而且通過(guò)局部放電在線監(jiān)測(cè)能發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜制造和安裝的“清潔度”，能發(fā)現(xiàn)絕緣制造工藝和安裝過(guò)程中的缺陷、差錯(cuò)，并能確定故障位置，從而進(jìn)行有效的處理，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電實(shí)施檢測(cè)具有十分重要的工程意義。

3.1 UHF局放監(jiān)測(cè)

局部放電超高頻檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸的檢測(cè)方法，依據(jù)“場(chǎng)”的原理，通過(guò)天線傳感器接收局部放電過(guò)程中輻射的超高頻電磁波，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)。

局部放電超高頻檢測(cè)技術(shù)是局部放電檢測(cè)的一種新方法，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了較快發(fā)展，并在電力設(shè)備如GIS、同步電機(jī)、變壓器、電纜等的檢測(cè)中得了應(yīng)用。超高頻檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)信號(hào)頻率高，外界干擾信號(hào)少等特點(diǎn)，因而檢測(cè)系統(tǒng)受外界干擾影響小，可以極大地提高電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)，特別是在線檢測(cè)的可靠性和靈敏度［3］。

超高頻法用于高壓開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此這一測(cè)量技術(shù)發(fā)展很快，已在英國(guó)和法國(guó)的幾個(gè)400kV變電站中取得經(jīng)驗(yàn)。德國(guó)一些大學(xué)對(duì)此技術(shù)很感興趣，對(duì)接受UHF信號(hào)的天線進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。瑞士ABB高電壓技術(shù)公司在550kV的GIS試驗(yàn)裝置中對(duì)UHF法的適用性與靈敏度進(jìn)行了研究，并與常規(guī)的脈沖電流法作了對(duì)比。韓國(guó)已經(jīng)形成了比較成熟的基于傳感器技術(shù)的高壓開(kāi)關(guān)柜局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用400～800MHz頻率范圍的超高頻傳感器，對(duì)柜體內(nèi)器件(如CT、PT)、母線連接處、支持絕緣子表面及開(kāi)斷裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證(如圖3所示)。各國(guó)的研究均表明，UHF法用于高壓開(kāi)關(guān)柜絕緣的在線監(jiān)測(cè)有很好的前景。

圖3 UHF局放監(jiān)測(cè)硬件處理結(jié)構(gòu)圖

3.2 地電波局放監(jiān)測(cè)(TEV)

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流在設(shè)備表面金屬上傳播。對(duì)于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時(shí)在設(shè)備外部無(wú)法檢測(cè)到放電信號(hào)，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號(hào)會(huì)由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼。因此，局部放電產(chǎn)生的電磁波通過(guò)金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開(kāi)關(guān)的襯墊傳出，并沿著設(shè)備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時(shí)對(duì)地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號(hào)，該現(xiàn)象由Dr.JohnReeves在1974年首先發(fā)現(xiàn)，并將其命名為暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)。

一般來(lái)說(shuō)，單芯10kV電纜的阻抗約為10Ω，35kV的金屬外殼母線室的阻抗則約為70Ω，電纜或母線室發(fā)生局部放電產(chǎn)生持續(xù)10μs約100mA的弱電脈沖電流時(shí)，在金屬外殼上會(huì)出現(xiàn)1～7V的對(duì)地電壓。電壓、電流脈沖沿開(kāi)關(guān)柜金屬外殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑?，遇開(kāi)口、接頭、蓋板等處的縫隙傳出設(shè)備，再沿著金屬外殼的外表面?zhèn)鞑ブ链蟮?。目前TEV法檢測(cè)設(shè)備大都采用電容性探測(cè)器來(lái)檢測(cè)放電脈沖，其工作原理如圖4所示［4］。

圖4 TEV局放測(cè)量原理

3.3 紫外脈沖監(jiān)測(cè)

該方法基于紫外脈沖檢測(cè)原理，通過(guò)結(jié)合工業(yè)內(nèi)窺技術(shù)，針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)開(kāi)關(guān)的絕緣缺陷引起的紫外光，研制一種紫外脈沖檢測(cè)儀，并最終形成在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)關(guān)絕緣引起的光能進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)絕緣缺陷的定量分析，另外將模糊集理論應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)紫外輻射測(cè)量中，根據(jù)測(cè)量得到的設(shè)備紫外輻射值進(jìn)行絕緣缺陷和負(fù)荷過(guò)大的定量區(qū)分，進(jìn)行綜合模糊推理，形成一種絕緣狀態(tài)評(píng)估的新方法。監(jiān)測(cè)分機(jī)主要由電源模塊，紫外傳感模塊，信號(hào)及數(shù)字處理模塊以及通信接口模塊組成，如圖5所示。

圖5 紫外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的核心為紫外傳感模塊，該模塊使紫外光經(jīng)過(guò)后，轉(zhuǎn)換為光電流脈沖輸出，輸出的頻率和幅度與入射紫外光成正比。采用高靈敏度的日盲型紫外傳感器，工作在UV－C光譜段，避免附件光源對(duì)傳感器的干擾。采用特定紫外線傳感器，可利用太陽(yáng)盲區(qū)，使儀器工作在特定波長(zhǎng)之間，而對(duì)其他頻譜不敏感，去除太陽(yáng)輻射的干擾。此外這種型號(hào)光敏管抑止背景噪聲的能力較好，長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性好，特別適合工作在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的工作環(huán)境。

4 總結(jié)

本文對(duì)多種開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，可為相關(guān)技術(shù)的研究人員和電網(wǎng)運(yùn)行人員提供參考。

［1］ 宋昊，崔景春，袁大陸.2004年高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析［J］.電力設(shè)備，2006，7(2):10 －14.

［2］ 董興海.金屬封閉柜內(nèi)帶電運(yùn)行設(shè)備局部放電檢測(cè)研究［J］.云南電力技術(shù)，2006，34(4):25 －26.

［3］ 張艷，田競(jìng)，葉逢春，等.紅外傳感器的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研制［J］.高壓電器，2005，41(2):91 －94.

［4］ 任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態(tài)對(duì)地電壓法綜合檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜局部放電［J］.高電壓技術(shù)，2010，(10):2460 －2466.