10kV高壓開關(guān)柜發(fā)熱故障分析及監(jiān)控策略

黃澤榮

摘要：10kV金屬封閉式高壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備過熱是引發(fā)電力系統(tǒng)設(shè)備事故的重要原因之一。本文詳細(xì)分析了高壓開關(guān)柜過熱的原因，并結(jié)合目前10kV高壓開關(guān)柜測溫手段，深入剖析、對比了在線測溫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后，結(jié)合某變電站10kV開關(guān)柜在線測溫應(yīng)用實(shí)例，充分闡述了有源無線測溫技術(shù)的原理、系統(tǒng)構(gòu)成及現(xiàn)場安裝，通過工程實(shí)踐證明了無線測溫系統(tǒng)的有效性和可推廣性。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜、過熱、在線測溫

引言

10kV金屬封閉式高壓開關(guān)柜在現(xiàn)代電網(wǎng)中承擔(dān)著舉足輕重的地位，由于10kV高壓開關(guān)柜內(nèi)空間有限的原因，柜內(nèi)各元器件安裝得比較緊湊，開關(guān)設(shè)備之間除了電能傳輸之外更受到彼此磁場的影響，運(yùn)行工況復(fù)雜，導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備的通風(fēng)散熱性能比較惡劣。其中主變變低、母聯(lián)開關(guān)設(shè)備要通過比一般線路大得多電流，這類開關(guān)設(shè)備往往稱之為大電流開關(guān)設(shè)備（額定電流大于 3150A），在電力系統(tǒng)中，大電流開關(guān)設(shè)備起著匯集開關(guān)電流的作用，一旦發(fā)生故障，將造成比普通線路開關(guān)故障更為嚴(yán)重的后果。

一、開關(guān)柜發(fā)熱原因

10kV開關(guān)柜發(fā)熱的主要部位多表現(xiàn)在刀閘動靜觸頭處和開關(guān)、CT、刀閘聯(lián)接鋁排處，發(fā)熱主要原因有：渦流發(fā)熱，螺母松動，設(shè)備安裝連接工藝不當(dāng)及刀閘觸頭接觸壓力不夠。

1、渦流發(fā)熱

開關(guān)柜中，對由導(dǎo)磁體內(nèi)渦流產(chǎn)生的發(fā)熱也應(yīng)該引起足夠的重視。在某種情況下，這種發(fā)熱有時并不低于接觸不良所引起的發(fā)熱。

2、螺母松動

（1）出廠裝配、安裝過程中出現(xiàn)疏漏。

（2）新開關(guān)柜投運(yùn)一段時間后，母排在運(yùn)行中產(chǎn)生了一定的溫升及膨脹，而此膨脹力又使得原已緊固的螺釘受到拉伸出現(xiàn)微小的變長，母排間的搭接處接觸電阻增大而導(dǎo)致發(fā)熱；加之長期的熱脹冷縮，使螺母出現(xiàn)松動。

（3）設(shè)備安裝連接工藝不當(dāng)。如封閉式高壓柜內(nèi)小車式開關(guān)插嘴的位置與固定的插頭位置如有偏差，導(dǎo)致開關(guān)推人后插頭部分就可能接觸不實(shí)，造成觸頭發(fā)熱。

（4）觸指彈簧疲軟

通常當(dāng)隔離插頭插入深度不夠，或是隔離插頭與觸指間對中不好，造成局部過熱，使觸指彈簧退火而出現(xiàn)疲軟。疲軟的彈簧使觸指和觸頭間的接觸壓力降低，接觸狀態(tài)變得更差，促使發(fā)熱更加嚴(yán)重，觸指彈簧進(jìn)一步退火，從而進(jìn)入一種惡性循環(huán)，使發(fā)熱發(fā)展成為過熱狀態(tài)，最后引發(fā)事故。

二、開關(guān)柜測溫的方法

10kV高壓開關(guān)設(shè)備的傳統(tǒng)測溫方法主要依賴手工操作，受巡視周期、測量角度與儀器精度等因素影響，不能準(zhǔn)確、實(shí)時地反應(yīng) 10kV 高壓開關(guān)的運(yùn)行溫度，也無法對開關(guān)運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集、比對。這樣便導(dǎo)致一些開關(guān)設(shè)備的故障無法被及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備長期“帶病”運(yùn)行，嚴(yán)重影響著設(shè)備、電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1、 傳統(tǒng)測溫方法

（1）在開關(guān)柜門上開測溫孔或加裝可透過紅外線的特殊透明材料，用紅外成像儀監(jiān)測柜內(nèi)發(fā)熱情況。其優(yōu)點(diǎn)是測溫范圍廣，施工工藝簡單。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，需人為監(jiān)測，工作量大；在巡檢過程中工作人員的責(zé)任心及巡檢間隔時間都會影響到巡檢結(jié)果；存在著一定的安全風(fēng)險，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，更不能預(yù)測未來情況并對故障缺陷及時報警；開孔位置受限，必須開在合適位置，才能監(jiān)測到盡可能多的部位；紅外成像儀和透視片需配合使用，成本偏高，對推廣應(yīng)用有一定難度。

（2）使用紅外線在線監(jiān)測系統(tǒng)對柜內(nèi)觸頭進(jìn)行監(jiān)控，該方式采用的是非接觸式測溫。其優(yōu)點(diǎn)是測溫速度快，測溫范圍廣，且對被測溫場無干擾，與高電壓完全隔離；技術(shù)先進(jìn)，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。缺點(diǎn)是該系統(tǒng)測溫還停留在點(diǎn)對點(diǎn)上，一個觸頭需要對應(yīng)一個溫度傳感，沒有探測到整個開關(guān)內(nèi)接頭的發(fā)熱情況。

（3）在開關(guān)柜內(nèi)觸頭附近，加裝帶傳感器的測溫裝置。將傳感器埋入或固定在可靠的觸臂上，使之十分靠近發(fā)熱點(diǎn)，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)有線傳輸至監(jiān)測儀。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)就地顯示，也可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控；手車和非手車型開關(guān)柜都適用。缺點(diǎn)是通道數(shù)量受限，導(dǎo)致實(shí)際發(fā)熱的部位因沒有裝傳感器而漏檢；測溫范圍為0～125℃。有線傳輸使柜內(nèi)布線繁雜凌亂。開關(guān)柜內(nèi)原有的電場均布改變，造成電氣設(shè)備放電等新的故障。部分CT取電設(shè)備，往往因電量小而不能穩(wěn)定工作，不方便檢測設(shè)備日常維護(hù)及出現(xiàn)故障時維修。

2、在線測溫方法

隨著 10kV 高壓開關(guān)在線測溫技術(shù)地興起與成熟，近些年來，在線測溫技術(shù)已經(jīng)在電力生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在并取得了顯著成效，為最終實(shí)現(xiàn) 10kV 高壓開關(guān)的狀態(tài)檢修打下了堅實(shí)基礎(chǔ)，以下介紹兩種目前較為流行的在線無線測溫方法。

（1）有源無線測溫，為無線數(shù)據(jù)傳輸方式，安裝相對方便靈活，目前也是較多設(shè)備在使用該測溫方法。但使用的反饋情況是由于電池傳感器體積相對較大，在狹小的空間內(nèi)安裝困難。維護(hù)時需要定期更換電池，帶來巨大的維護(hù)工作量，且電池長期工作在溫度較高及較強(qiáng)電磁場的環(huán)境下，存在一定的安全隱患。溫度傳感器通過匹配軟件的校正后就已經(jīng)補(bǔ)償了傳感器制作過程中的偏差，傳感器可在任何工作溫度范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)試并長期穩(wěn)定工作。

（2）無源無線測溫，其特點(diǎn)為無源無線溫度傳感器體積小，與采集器之間數(shù)據(jù)無線傳輸，安裝方便靈活，不受設(shè)備結(jié)構(gòu)和空間影響。無需使用電池，安裝成功后基本無需維護(hù)。無線工作方式，且由于射頻信號具有一定的穿透繞射能力，可廣泛用于測量可視范圍內(nèi)及存在障礙物的各種物體溫度。無源的工作方式不受能量限制，可以較高的頻率進(jìn)行溫度信息的采集，數(shù)據(jù)實(shí)時性高，是目前較為新型的在線測溫方法，實(shí)施效果很好。

三、在線測溫的應(yīng)用

開關(guān)設(shè)備在線測溫系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成（有源及無源無線測溫）：

1、 信號變送單元 一般由開關(guān)設(shè)備的溫度傳感器來完成，從開關(guān)設(shè)備上檢測出反映開關(guān)設(shè)備溫度的物理量，并將其轉(zhuǎn)換為合適信號（包括光、電、無線信號等），傳送到后續(xù)的單元。完成了對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的原始信號采集，并對其進(jìn)行觀測和讀數(shù)。

2、 信號預(yù)處理單元 將溫度傳感器傳送來的信號進(jìn)行預(yù)處理，對干擾信號進(jìn)行抑制以提高信噪比。

3、 數(shù)據(jù)采集單元 對經(jīng)過處理的光、電、無線信號等進(jìn)行采集、經(jīng)過采樣保持后，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，然后利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。

4、 信號傳輸單元 將采集到的光、電、無線信號等傳送到后續(xù)單元，對于固定型的監(jiān)測系統(tǒng)而言，必須配置專門的信號傳送單元；而便攜式的監(jiān)測裝置，則只需要對采集到信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和隔離即可。

5、 數(shù)據(jù)處理 對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，如讀取特征值，并作必要的分析，為故障診斷提供有效的數(shù)據(jù)和信息。

6、 故障診斷 對處理后的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、判據(jù)及其他信息進(jìn)行比較、分析后，對設(shè)備的狀態(tài)或故障部位作出診斷。必要時要采取進(jìn)一步措施，例如安排維修計劃、是否需要退出運(yùn)行等。

四、結(jié)論

事實(shí)上，無線在線測溫裝置對開關(guān)柜設(shè)備的發(fā)熱監(jiān)控有著顯著的效果，減少由于接觸不良、接頭松動、表面氧化、電化腐蝕、超負(fù)荷、環(huán)溫過高、通風(fēng)不良等引起過熱引發(fā)的事故，提高供電可靠率，便于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修和設(shè)備自動化。