手車式開關柜發(fā)熱分析及檢測檢修要點

王曉峰 陳向全 曹立爽

摘要：10kV手車式開光柜內動靜觸頭接觸部位、電纜頭搭接部位和母線搭接部位等導電薄弱環(huán)節(jié)在運行中可能會產生發(fā)熱缺陷，如不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，會引發(fā)嚴重故障，造成大面積停電。文中首先介紹了手車式開關柜中不同部位的發(fā)熱機理及檢修處置要點，在此基礎上，又分析了手持紅外測溫技術、光纖傳感器測溫技術、有源傳感器無線測溫技術和無源傳感器無線測溫技術的優(yōu)缺點，并結合10kV手車式開關柜結構、巡視及檢修維護的特點，提出了10kV開關柜內溫度在線監(jiān)測技術優(yōu)化組合方案，可大大提高10kV開關柜的運行可靠性。

關鍵詞：手車式開關，測溫，發(fā)熱機理，檢修要點

0? 引言

手車式開關柜憑借著其體積小、結構緊湊、操作方便等優(yōu)點在變、配電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。開關柜在長期運行過程中，其內部的動靜觸頭接觸部位、電纜搭接部位和母線排連接部位等導電薄弱環(huán)節(jié)容易受環(huán)境溫濕度、機械振動等因素的影響而出現(xiàn)氧化腐蝕、松動的現(xiàn)象，導致連接處接觸電阻變大而發(fā)熱。手車式開關柜為金屬全封閉結構，單純的人工巡視檢查也很難及時準確地發(fā)現(xiàn)問題。發(fā)熱缺陷如果不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，很容易造成開關柜損壞，甚到出現(xiàn)“火燒連營”大面積停電的嚴重事故。因此尋找一種能夠快速、準確檢測到開關過熱故障的手段是一個亟需解決的重要課題。

1 發(fā)熱機理分析

1.1 動靜觸頭氧化發(fā)熱

為了增強動靜觸頭的導電能力，動靜觸頭表面均要求有一層厚度不低于20μm的鍍銀層，正是由于鍍銀層的存在，新出廠開關柜的回路電阻可以做到50μΩ左右。隨著運行年限的增加或者周圍環(huán)境的改變，開關柜動靜觸頭表面的鍍銀層會逐漸劣化生成厚厚的氧化層，動靜觸頭的接觸電阻會異常升高，甚至能夠達到300μΩ以上，造成設備在額定負荷下都會異常發(fā)熱。

銀的化學性質比較穩(wěn)定，但是對空氣中SO₂和H₂S等硫化物非常敏感，當空氣H₂S和SO₂的濃度達到十幾個ppm時就會產生腐蝕，生成黑色的Ag₂S和白色的Ag₂SO₃物質，著反應的進行，鍍層表面顏色也逐漸由亮白色向深灰色及黑色發(fā)展，使動靜觸頭接觸電阻異常升高。

為了防止動靜觸頭的鍍銀層長時間和空氣中硫化物接觸造成腐蝕，可以在動靜觸頭表面涂刷一層薄薄的醫(yī)用凡士林，并且在每次停電檢修中要仔細觀察凡士林的狀態(tài)，對于已經變干發(fā)黑的凡士林，用酒精清洗干凈之后重新涂抹。對于動靜觸頭鍍銀層已經發(fā)生明顯氧化反應的老開關，通常用極細砂紙（1000目左右）對氧化層處進行仔細打磨，然后用無塵布反復擦拭以祛除表面的微顆粒，然后再涂上凡士林。

1.2 動靜觸頭間壓緊力不足、接觸不良

動觸頭通過其若干觸指在不銹鋼彈簧鋼絲的緊固作用下將自身觸臂與靜觸頭相連形成高壓開關柜內重要的過流部件^[1]，是整個開關柜導電回路中的薄弱環(huán)節(jié)，如果該部位出現(xiàn)壓緊力不足、接觸不良的問題，將會造成極其嚴重的后果。國網公司已經發(fā)生過多起由于動靜觸頭搭接不良導致開關柜燒毀事故，因此非常有必要找到相應的預防措施和解決方案。

通常有兩種情況可造成靜觸頭和梅花觸頭之間壓緊力不足：一是未按照設計要求對開關柜內部手車式斷路器的動、靜觸頭進行安裝調試，造成手車式斷路器的動、靜觸頭發(fā)生 “虛接”現(xiàn)象。斷路器手車操作至運行位置時不到位、動觸頭的梅花觸指與靜觸頭不對中，受力不均勻，插入深度不夠（不滿足技術文件規(guī)定15～25 mm要求），導致動、靜觸頭之間接觸電阻過大，致使開關柜發(fā)熱。二是梅花觸頭的不銹彈簧鋼絲材質不合格，彈簧中錳含量超標時會降低其使用壽命，使彈簧在長時間的拉力作用下更容易產生疲勞甚至斷裂，直接影響到觸指壓力，嚴重時可燒損梅花觸頭。

為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，一方面要加強設備施工以及后期檢修時的質量管控，保證動靜觸頭的同心度在合理的偏差范圍之內。

二是依據國標，加強梅花觸頭外圍不銹鋼彈簧鋼絲的材質檢測，對新入網的開關柜要嚴格把關，成分不合格的產品進行退貨，對已經投運的開關柜，建議每 2 個大修周期全部更換彈簧鋼絲，避免其疲勞或斷裂而導致接觸不良的情況發(fā)生。

1.3 開關柜過于緊湊、散熱不良

目前有些廠家為到達招標文件中規(guī)定的防小動物、防塵、防爆等級，將開關柜設計過于緊湊，眾多部件被一起設計至狹窄的柜內，其熱量容易集聚，還有一些開關柜的散熱風道設計有缺陷，甚至其頂部根本沒有設計散熱片，有些早期的3150A總路開關柜是沒有散熱風機的，其熱量不易散去^[2]。無論是目前還是將來，開關柜的緊湊型設計都是一個大的趨勢很難得到改變。

在產品采購時要求廠家出示溫升形式實驗報告，保證設備散熱通道設計合理。對于已經投運的變電站，對沒有安裝風機的總路開關進行改造，在小車室底部、頂部各加裝一個軸流風機，一進風，一出風，柜體的適當位置上開散熱百葉窗，形成散熱通道，有效的將原本封閉的母線室熱氣排出。

除了上述方案，也可以考慮在開關柜運行的外部環(huán)境上做文章。重慶市北公司在所管轄變電站所有的10kV開關室的對角線上安裝兩臺大功率空調，保證開關室內溫度常年保持在一個很低水平，即使在迎峰度夏期間，開關室的環(huán)境溫升也不會超過30℃，幫助開關柜內熱量通過柜體快速傳遞出去。對于負荷特別重的的回路，還可以在開關柜的前后柜各擺放一個大風扇，加速將熱量散出柜外。通過上述的這些技術改造，近幾年迎峰度夏期間開關柜出現(xiàn)燒損的概率明顯降低很多，對電網的可靠運行提供了強有力的保障。

1.4 導電回路搭接部位搭接不規(guī)范、螺絲松動

開關柜的導電回路中，除了動靜觸頭連接處外，導電排與導電排，導電排與電纜頭、導電排與靜觸頭之間的螺絲搭接部位均是容易出現(xiàn)發(fā)熱的薄弱環(huán)節(jié)，在開關柜的燒毀事故原因中均占有很高的比例，所以這些部位的搭接質量把控在新投驗收、停電檢修中必須引起足夠的重視。

搭接質量不良，一是設備在安裝過程中沒有使用力矩扳手，導致母排間或者引流排和電纜之間壓緊程度不夠，個別搭頭處接觸電阻過大發(fā)熱。二是安裝工藝不佳或者使用的螺栓材質不合格，施工過程中母排或者電纜接頭打孔偏大，緊固螺絲內徑小，中間加墊片尺寸偏大，導致墊片間相互接觸^[1]。由于緊固螺栓及墊片具有很高的導磁率，當銅排兩側平墊片與同側其他平墊片接觸時，平墊片及螺桿形成一個完整的磁通路。當母排中有大電流流過時，在閉合回路中感應產生渦流，從而造成螺栓發(fā)熱。

要加強新設備安裝工藝的管控，在材料選擇上盡量選擇低導磁率的奧氏體螺栓，母線緊固螺栓采用M16 mm規(guī)格的 8.8 級螺栓，螺栓及附件平、彈簧墊片均采用燒藍工藝處理，壓緊螺栓用力矩扳手按照電力標準緊固。安裝過程中滿足《電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗收規(guī)范》中“貫穿螺栓連接的母線兩外側均應有平墊圈，相鄰螺栓墊圈間應有3mm以上的凈距”的相關要求，竣工驗收時對接頭處的螺絲緊固情況進行適當數量的抽檢，確保安裝質量。對于已經投運的設備，每次停電檢修都要重點檢查搭接處緊固情況，針對主變進線柜等大電流母排，把母排上螺栓是否形成閉合回路作為檢查項之一。

2? 10kV開關柜發(fā)熱檢測、檢修要點

1.1 動靜觸頭氧化發(fā)熱

1）對于新安裝投運設備，按照相關規(guī)程，檢測動靜觸頭的鍍銀層厚度及硬度，要求鍍銀層厚度不低于20μm，硬度不低于120維氏硬度。設備投運前，在動靜觸頭表面涂一層中性凡士林，防止鍍銀層在空氣中被逐漸氧化腐蝕。

2）對于運行多年的老設備，停電后要認真檢查動靜觸頭的表面磨損、氧化情況，如果鍍銀層出現(xiàn)腐蝕痕跡，可以用細砂紙打磨干凈。處理完畢后，用回路電阻測試儀測試動靜觸頭的接觸電阻，從而判斷設備是否滿足投運條件。

3）如果動靜觸頭表面已經嚴重發(fā)黑、氧化腐蝕層很厚，不具備打磨修復的條件，建議整體更換。

1.2 動靜觸頭間壓緊力不足、接觸不良

1）對于新投設備，加強梅花觸頭外圍不銹鋼彈簧鋼絲的材質檢測，對新入網的開關柜要嚴格按照國標 GB /T24588—2009 不銹彈簧鋼絲進行把關，對成分不合格品進行退貨。

2）加強動靜觸頭插入深度、同心度的檢查，避免出現(xiàn)“虛接”。

3）每次停電檢修，要重點檢查梅花觸頭的彈簧狀態(tài)，觀察彈簧是否異位，是否有過熱退火、疲勞斷裂的情況發(fā)生，彈簧的彈力是否充裕，如果發(fā)現(xiàn)異常，必須進行更換。

4）檢查梅花觸頭的觸指是否異位變形，輕微變形可以進行修復，嚴重變形建議更換。

1.3 導電回路搭接部位搭接不規(guī)范、螺絲松動

1）檢查螺栓的彈簧墊片是否壓平，緊固螺母是否松動，條件允許的話，可以用力矩扳手逐個檢查。

2）檢查孔洞與螺栓的尺寸是否匹配，施工中打孔偏大或者墊片過小都會引起發(fā)熱。

3）檢查螺桿的長度是否合適，安裝完畢后，螺桿是否露出螺母3個以上絲牙。

4）貫穿螺栓連接的母線兩外側均應有平墊圈，相鄰螺栓墊圈間應有3mm以上的凈距，避免形成閉合磁通路引起渦流損耗。

3? 10kV開關柜溫度監(jiān)測技術分析

目前，10kV開關柜主要的測溫方式有手持紅外測溫、光纖測溫、有源傳感器無線測溫、聲表面波無源傳感器無線測溫等溫度監(jiān)測技術。上述各種測溫技術的工作原理、適用范圍和優(yōu)缺點如下：

3.1手持紅外測溫

目前所有的10kV開關柜前后觀察窗均采用的是普通鋼化夾膠玻璃，大部分紅外線會在鋼化玻璃反射回去，透光率很低，溫度測量存在很大的誤差，需要在開關柜的特殊位置添加紅外窺視窗口才能實現(xiàn)精準測量。但是10kV手車式開關柜由于特殊結構，柜內元件布置緊湊，存在遮擋，即使加裝窺視窗口，由于開關檔板、活門檔板的遮擋，也無法觀察到動靜觸頭運行情況，目前僅僅實現(xiàn)對電纜頭處的溫度測量。

3.3? 光纖測溫

光纖測溫傳感器是根據某些特定物質吸收光譜隨溫度變化而變化的特征制作而成，通過對光纖傳輸回來的反射光譜進行頻譜分析可獲得測試點的實時溫度。由于特定物質所吸收的光譜漂移量隨著溫度的變化會呈現(xiàn)出線性對應關系，故可以通過吸收光譜漂移量通過一定的公式折算出溫度的變化量。

光纖測溫的優(yōu)點是具有很高的靈敏度、不受電磁干擾，耐腐蝕、傳輸通道可彎曲。

其缺點是，光纖材質較脆容易折斷，安裝及后期維護工作時需十分謹慎，且安裝及維護成本較高;其次，雖然光纖本身具有較好的絕緣特性，但是長時間在高電壓環(huán)境下容易因表面的污穢而導致爬電現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4? 有源傳感器無線測溫

有源傳感器無線測溫系統(tǒng)主要由有源溫度傳感器、信號發(fā)射模塊、無線數據接收模塊、監(jiān)測后臺及軟件組成。目前在電力領域廣泛應用的有源溫度傳感器有半導體溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。將有源溫度傳感器安裝于手車開關的動靜觸頭接觸部位、母排搭接部位和電纜頭等導電薄弱位置，監(jiān)測上述位置的溫度，通過信號發(fā)射模塊將溫度信息發(fā)送至無線數據接收模塊，然后上傳至監(jiān)測后臺，可以實現(xiàn)溫度實時在線監(jiān)測、診斷、預警的功能。

技術優(yōu)點：半導體傳感器體積小、安裝方便，不用考慮高壓絕緣問題;有源傳感器輸出信號強，溫度漂移可控，測溫精度高。

技術缺點：半導體元件阻抗高，在大電流環(huán)境中易產生感應電壓，導致器件內部絕緣擊穿損壞;需定期停電更換電池，增加了維護量。

3.6? 聲表面波無源無線測溫

聲表面波傳感器由安裝件、聲表面波感溫器件和天線組成，尺寸在1cm左右，可以通過螺栓固定在需要測溫的部位。系統(tǒng)主要由聲表面波無線測溫探頭（傳感器）和基于雷達原理的溫度讀取器組成。聲表面波測溫器件為純無源器件，不帶電池，避免了電池高溫爆炸和泄露的隱患;無線方式不影響高壓絕緣，避免有線方式的“爬電”絕緣問題，可靠性更高。

該種測溫技術的缺點：采用聲表面波測溫技術的無源傳感器發(fā)出的無線電磁波信號較弱，且遮擋物對信號傳輸有影響，基本不適合被活門檔板嚴重遮擋的動靜觸頭部位的測溫。

3? 手車式開關柜內設備測溫技術方案

考慮到手車式開關柜結夠的特殊性，上述的每一種測溫方式都有一定的適用范圍，很難通過單一的某種測溫方法實現(xiàn)對柜內所有部位的精確在線監(jiān)測，因此本文提出適用于10kV手車式開關柜的組合式測溫方式（見表1），具體如下：

1）手持紅外測溫技術適用于移開式10kV開關柜電纜接頭連接部位，通過在對應的開關柜功能室門加裝紅外測溫窗即可實現(xiàn)測溫。

2）光纖測溫技術在手車式開關柜內還是具有非常高的應用前景的，在使用過程中要特別注意光纖的布置方式，最好能夠把其直接澆筑絕緣構件（比如靜觸頭盒）內，目前該技術在某些供電公司已經有一定的應用并取得不錯的效果。

3）無源傳感器無線測溫技術和有源傳感器無線測溫技術均為無線測溫技術，根據分析，無源傳感器無線測溫技術相比有源傳感器無線測溫技術，信號較弱，但實現(xiàn)了免維護，特別適合用于停電困難的開關柜設備，考慮溫度監(jiān)測的準確性及減輕投運后維護工作量，有源傳感器無線測溫技術適用于移開式10kV開關柜開關小車觸頭接觸部位，無源傳感器無線測溫技術適用于手車式開關柜內母線室導電排搭接部位和電纜接頭連接部位，可實現(xiàn)上述部位溫度實時在線監(jiān)測、診斷、預警功能。

以上幾種測溫技術組合使能夠很好地解決手車式開關柜內設備溫度監(jiān)測難題，及時預警、處置設備過熱缺陷，保障設備安全可靠運行。

4 ?結束語

10kV手車式開關柜是變電站中重要設備之一，其發(fā)熱如不及時處理可能引起跳閘甚至燒毀的嚴重事故，對電網供電可靠性造成不良影響。本文對10kV手車式開關柜內關鍵部位的發(fā)熱機理及檢修要點進行了闡述，在此基礎上，分析比較了幾種常見的溫度監(jiān)測技術的優(yōu)缺點，提出了手車式開關柜內溫度監(jiān)測技術優(yōu)化組合方案，實現(xiàn)了對10kV手車式開關柜內關鍵部位的溫度有效監(jiān)測，可有效預防開關設備發(fā)熱導致的設備事故發(fā)生，對提升了設備運維管理水平及提升用戶供電可靠性具有重要意義。

參考文獻

[1] 涂剛. 一起10kV封閉式開關柜母排發(fā)熱缺陷的分析與處理[J]. 電工技術， 2018， 482（20）：40+46.

[2] 孟晨旭， 李新海， 范德和， et al. 變電站10kV開關柜溫度監(jiān)測技術分析與應用[J]. 電器工業(yè)， 2019（12）.