高壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)與有效應(yīng)用

馬文博

摘要：近年來，我國(guó)對(duì)電能的需求不斷增加，電力行業(yè)發(fā)展迅速。電力設(shè)備設(shè)施是有效提供電力能源的重要工具，其中高壓開關(guān)柜則是一種常見電力設(shè)備，所以為了符合大眾用電的需求量，就需要對(duì)高壓開關(guān)柜進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)和應(yīng)用分析。文章闡述了從高壓開關(guān)柜和其電力系統(tǒng)的概況及高壓開關(guān)柜從設(shè)計(jì)到高壓開關(guān)柜應(yīng)用的重要性，進(jìn)而為電力行業(yè)未來的發(fā)展奠定夯實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;電力設(shè)備設(shè)施;電力能源;電力系統(tǒng);電力行業(yè)

引言

高壓開關(guān)柜是指用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等作用。高壓開關(guān)柜屬于電壓等級(jí)在3.6kV到550kV的電器產(chǎn)品。高壓開關(guān)柜是高壓設(shè)備中的一種，它和高壓隔離開關(guān)與接地開關(guān)、高壓負(fù)荷開關(guān)、高壓自動(dòng)重合與分段器，高壓操作機(jī)構(gòu)、高壓防爆配電裝置等都屬于高壓設(shè)備。

1開關(guān)柜局部放電檢測(cè)技術(shù)

高壓開關(guān)柜中由于設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行維護(hù)等方面仍存在著不同程度的問題，導(dǎo)致開關(guān)柜在運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)局部放電，例如絕緣爬距及空氣間隙不夠，緊固螺栓松動(dòng)或銹蝕，互感器內(nèi)部氣隙或裂紋、支持瓷柱質(zhì)量差等，此外污穢和潮濕也可能引起開關(guān)柜內(nèi)部絕緣子、套管及母線沿面放電。開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的電磁波在開關(guān)柜外表面感應(yīng)出暫態(tài)地電壓信號(hào)，利用電容耦合傳感器能夠檢測(cè)測(cè)出局放的幅值及脈沖數(shù)量。暫態(tài)地電壓其主要特征為頻帶范圍為3～100MHz，電磁波沿開關(guān)柜表面?zhèn)鞑?，不同制造廠家同類型的開關(guān)柜會(huì)有相同的衰減路徑。由于開關(guān)柜結(jié)構(gòu)封閉，局放在柜內(nèi)及各柜間的傳播規(guī)律不明，現(xiàn)場(chǎng)許多情況下暫態(tài)地電壓檢測(cè)結(jié)果不能判斷放電信號(hào)的具體來源。電氣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電的過程中，會(huì)伴隨產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，即在局部放電發(fā)生的區(qū)域由于脈沖電流的作用瞬間受熱膨脹，形成一個(gè)近似爆破的效果，當(dāng)局放結(jié)束后表面膨脹效果消失。由于放電區(qū)域體積變化引起的介質(zhì)疏密變化形成超聲波，波形特征上表現(xiàn)為一連串的脈沖形式。超聲波以球面波的形式從局部放電點(diǎn)向四周傳播，針對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生的局部放電，超聲波在傳播過程中會(huì)遇到不同的介質(zhì)，從而在柜體內(nèi)部經(jīng)過一系列的折反射，最后通過柜體縫隙傳播出來。針對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的局部放電超聲信號(hào)可以利用非接觸式超聲傳感器沿柜體縫隙處進(jìn)行檢測(cè)，通過檢測(cè)到的信號(hào)周期最大值、有效值、頻率成分、信號(hào)波形等特征，同時(shí)結(jié)合聆聽耳機(jī)中超聲信號(hào)的聲音特征對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行綜合檢測(cè)判斷。通過特高頻傳感器對(duì)開關(guān)柜中局放時(shí)產(chǎn)生的特高頻信號(hào)（300MHz～1.5GHz）進(jìn)行檢測(cè)，獲得局放信號(hào)的幅值、相位等信息。特高頻信號(hào)只能從高壓柜縫隙、觀察窗、散熱孔等非金屬連續(xù)部位傳出。特高頻檢測(cè)法由于其抗干擾能力強(qiáng)、PRPD/PRPS波形特征明顯等特征可識(shí)別缺陷類型，在開關(guān)柜局放帶電檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2高壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)

2.1溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳輸和存儲(chǔ)。高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器組、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)器、電源模塊、PIC單片機(jī)、復(fù)位單元、時(shí)鐘單元、通訊單元、中央監(jiān)控室等組成。其中PIC單片機(jī)對(duì)采集ZigBee網(wǎng)絡(luò)反饋的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，同時(shí)通過通訊單元將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)控室的工業(yè)計(jì)算機(jī);ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感器組信號(hào)和PIC單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸;多個(gè)高精度溫度傳感器組成的傳感器組用于測(cè)試高壓開關(guān)柜溫度數(shù)據(jù);存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)高壓開關(guān)柜的溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2高壓開關(guān)柜中真空斷路器的設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜中斷路器主要是可以起到開關(guān)器件的作用。而且在高壓開關(guān)柜正常運(yùn)行的狀態(tài)體系，斷路器是對(duì)斷開回路的負(fù)荷電流進(jìn)行接收。如果發(fā)生故障問題，斷路器會(huì)和繼電保護(hù)裝置互相協(xié)作，將發(fā)生故障的電流及時(shí)斷開，避免重大故障問題的發(fā)生，并保證其斷路器具備安全的防跳性能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣回路的控制。

2.3高壓開關(guān)柜測(cè)溫技術(shù)

高壓開關(guān)柜內(nèi)部處于高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)輻射的復(fù)雜運(yùn)行工況致使傳統(tǒng)檢修方式（事故后維修和定期檢修）限制了測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展[4]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于高壓開關(guān)柜測(cè)溫方式缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上也沒有壟斷性的產(chǎn)品，各個(gè)廠家根據(jù)自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研發(fā)能力開發(fā)不同類型的測(cè)溫產(chǎn)品。目前，市場(chǎng)上主要的測(cè)溫手段有示溫臘片變色法、光纖技術(shù)測(cè)溫法、紅外手持設(shè)備測(cè)溫法等，以下對(duì)上述方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。示溫臘片變色法測(cè)試溫度是根據(jù)示溫臘片在不同溫度環(huán)境下顯示不同顏色的物理過程。測(cè)試時(shí)把示溫臘片粘貼在高壓開關(guān)柜需要測(cè)試的部位，通過人工觀察示溫臘片顏色的變化來確定測(cè)試點(diǎn)溫度范圍。當(dāng)溫度超過示溫臘片的測(cè)試范圍時(shí)，示溫臘片會(huì)自然脫落。示溫臘片變色法測(cè)試溫度需要工作人員定期查看，在測(cè)試過程中人員工作量大、成本高、穩(wěn)定性低、實(shí)時(shí)性較差。示溫臘片變色法測(cè)試溫度方法在早期的高壓開關(guān)及其它類型電氣設(shè)備溫度測(cè)試過程中具有一定的應(yīng)用空間，但隨著測(cè)溫技術(shù)和電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，示溫臘片已經(jīng)慢慢退出溫度測(cè)試領(lǐng)域，目前只有在極少的領(lǐng)域應(yīng)用。光纖測(cè)溫法是利用光在光纖中的喇曼效應(yīng)改變光波波長(zhǎng)的特性，喇曼效應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)弱與溫度有直接關(guān)系。當(dāng)寬帶光進(jìn)入光纖，經(jīng)過光柵返回一定波長(zhǎng)的光，該波長(zhǎng)與被測(cè)溫度有一定變換關(guān)系，經(jīng)測(cè)量反射光波長(zhǎng)可確定被測(cè)物體溫度。光纖測(cè)溫一般依托光纖傳感器，傳感器輸出與溫度成比例的信號(hào)，采用埋入/表面安裝方式。光纖測(cè)溫法的測(cè)試精度和實(shí)時(shí)性較好，具有一定的市場(chǎng)空間，但該方式測(cè)溫成本較高、維護(hù)困難，不利于大范圍推廣應(yīng)用。紅外手持設(shè)備測(cè)溫法利用被測(cè)物體溫度高于絕對(duì)零度時(shí)向外界散射紅外能量的原理。散射的紅外能量與物體表面溫度相關(guān)，通過測(cè)試散射的能量并計(jì)算就能得到物體表面的溫度。紅外手持設(shè)備測(cè)溫法為非接觸式測(cè)溫方式，測(cè)試精度較高，但巡檢間隔時(shí)間較長(zhǎng)，不利于及時(shí)和實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)被測(cè)物體溫度的變化情況。

3高壓開關(guān)柜的效果

該散熱性能好的高壓開關(guān)柜，通過在開關(guān)柜本體上開設(shè)透氣孔，使外界空氣可以流入柜體的內(nèi)部，置換出柜內(nèi)的高溫空氣。通過設(shè)置擋板，有效防止了在雨天等情況時(shí)雨水通過透氣孔進(jìn)入到高壓開關(guān)柜內(nèi)部引起故障的問題;通過在開關(guān)柜本體上開設(shè)通風(fēng)孔，在通風(fēng)孔內(nèi)安裝固定架和散熱風(fēng)機(jī)組成的散熱裝置，使散熱風(fēng)機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)將高壓開關(guān)柜內(nèi)部的高溫空氣吹出;通過設(shè)置防塵罩，避免了由于開關(guān)柜本體不密封造成灰塵從通風(fēng)孔進(jìn)入到高壓開關(guān)柜內(nèi)部的問題，且可以通過拉動(dòng)卡桿與L形塊分離，使L形塊和防塵罩組成的防塵裝置可以拆卸，防止防塵罩在阻擋較多灰塵后造成堵塞不通風(fēng)影響散熱的情況，避免了由于高壓開關(guān)柜內(nèi)部電壓較高，造成控制柜內(nèi)部溫度進(jìn)一步升高。

結(jié)束語

綜上所述，柜體的散熱和通風(fēng)是高壓開關(guān)柜內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮的重要因素，通過上述開關(guān)柜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能很好地使柜內(nèi)熱量散出，避免因溫度過高而產(chǎn)生故障，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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