隔離開關觸頭在線測溫研究

馮建宇

摘 要：隨著電網電壓等級不斷提高，用電設備對供電可靠性的要求也越來越高。高壓隔離開關是電力系統中使用量最大的高壓開關設備，通常是高壓斷路器使用數量的2～4倍。高壓隔離開關在高電壓、大電流狀態下運行，其工作可靠性與觸頭溫升有著密切的關系。在電網運行過程中，機械振動、觸頭燒蝕等原因都可能使接觸條件惡化，接觸電阻增加，引起接觸點溫度升高，加劇接觸表面氧化，導致局部熔焊或接觸松動處產生電弧放電，最終造成電氣設備的損壞甚至停電等重大事故。因此，對觸頭溫度進行在線監測意義重大。

關鍵詞：高電壓；可靠性；觸頭；在線監測

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0065-03

1 隔離開關觸頭過熱原因分析

GW4型戶外交流隔離開關因其具有結構簡單、縱向尺寸小、布置方便、操作輕便、規格品種齊全、適用范圍廣等特點，被電力系統廣泛應用，具有十分重要的地位。但是，由于這種設備完全暴露在大氣環境中，受環境和氣候條件影響嚴重，隨著運行年限的增長，也暴露出一些缺點，其中導電回路過熱是主要問題之一。

要解決導電回路過熱的問題，就必須充分了解GW4型高壓隔離開關發生過熱的部位和程度、分析和評估過熱的發展趨勢。

通過調查統計發現，GW4型隔離開關的過熱一股發生在觸頭、觸指、接線座等接觸部位。

GW4型觸頭結構如圖1所示。正常情況下，觸指與觸頭、觸指座的4個接觸點，實際形成一個電橋電路。當合閘不到位或合閘過度造成觸指末端接觸不良時，電橋平衡被破壞，電流被迫從內置彈簧中流過。流過電流的大小與接觸不良的程度相關。當彈簧長時間流過較大電流后，將使其退火，彈性減弱，降低接觸壓力，使接觸電阻增大，接觸不良情況進一步惡化，觸頭發熱越加嚴重。因此，對隔離開關導電回路過熱的問題監測最直接測點是觸頭及觸指部分。

隔離開關產品在出廠前型式試驗中必須通過溫升試驗。

溫升試驗的要求：

①溫升試驗應在不受通風影響的場所內進行，試驗時可為常溫，即≥+10 ℃，≤+40 ℃。

②隔離開關溫升不得超過65 K（有鍍銀層部件）或35 K（無鍍銀層部件）。

③輔助裝置的溫升應在110%額定電壓下連續操作10次后進行測量，其溫升不得超過GB 763中的規定。

④溫升試驗必須考慮日照、氧化和臟污等自然環境的影響和暫時過負荷下的使用，試驗時接觸電阻應為允許的最大值，觸頭的接觸壓力應調整至允許的最低壓力。為考慮上述綜合影響，試驗電流可為120%的額定電流值（戶外設備），或110%的額定電流值（戶內設備）。

⑤隔離開關在完成機械穩定性試驗、動熱穩定試驗和開合母線轉換電流試驗后，應各進行一次溫升校核試驗。GW 4-126DVI/J1250 A隔離開關型式試驗中溫升實驗數據如圖2所示。

GW 4-126DVI產品的觸頭板和觸指材質為銅鍍銀、觸頭座材質為鋁鍍錫。銅和鋁都是熱的良導體，觸頭板和觸指接觸部位為發熱點、觸頭座距離發熱點最遠≤105 mm，溫差<1 ℃，幾乎可以忽略不計。

如圖3所示，8、9、10為觸指、觸頭板及觸頭座的監測，是隔離開關觸頭位置最接近的3個點。溫升值相差<1 ℃。

為驗證安裝位置的合理性，我們同時選擇了另一款產品作為試驗參考。

如圖4所示，6、7監測點溫差<1 ℃。因此在測溫裝置正常工作的情況下，觸頭測溫安裝位置首先需要選擇距離觸頭最近的位置，隔離開關測溫傳感器植入示意圖如圖5所示。

安裝在觸指、觸頭板或者觸頭座上不會影響測量結果準確度。

2 傳感器的選型

當前用于高壓設備接點運行溫度監測的技術主要有紅外輻射非接觸式和采用熱敏器件接觸式兩種類型，非接觸式測溫的準確度和可靠性受鏡頭光學變形、拍攝角度、拍攝距離、被測表面形狀和環境溫度、濕度、大氣壓等因素影響測量溫度不準。

接觸式產品測溫準確。主要有無線電磁發射型、光纖型。光纖連接傳送方案存在光纖封光層絕緣低表面污閃（是指電氣設備絕緣表面附著的污穢物在潮濕條件下，其可溶物質逐漸溶于水，在絕緣表面形成一層導電膜，使絕緣子的絕緣水平大大降低，在電力場作用下出現的強烈放電現象）危險和柔軟光纖布置難等不安全隱患；無線電磁發射方案，因高低壓端沒有導電體連接被認為是安全的方案。紅外，光纖和無線三種測溫方式比較見表1。

因此，項目在研發技術前期溝通中確定無線無源的測溫系統。結構簡單、對開關本體沒有影響、便于工程安裝實施，且經濟實惠易于應用和推廣。

根據運行經驗，高壓隔離開關的工作電流一般只能用到其額定工作電流的60%左右，如果超過70%就可能發生過熱。為了解決運行中隔離開關的過熱問題，電力行業標準中要求高壓隔離開關按1.2倍的額定電流進行溫升試驗，最高溫升上限為70 K。

當前，國內外無線測溫系統多用于高低壓開關柜。測溫范圍：-45 ℃～125 ℃。戶外隔離開關的無線測溫系統處于研究研制階段。110 kV智能開關設備研發項目中所采用的GW 4-126戶外隔離開關及接地開關，正常溫升在65 K以下，測溫傳感器測溫范圍在-45 ℃～125 ℃基本滿足需求。但須針對隔離開關的觸頭處戶外安裝的測溫傳感器發送端提高防護等級。

當前，國內外廠家的無線測溫系統在傳感器端的設計上存在兩種方式。見表2。

絕緣防護：一體式設計本身采用耐高溫高壓的絕緣材料封裝。分體式設計采用耐高溫高壓的絕緣材料封裝后，再用不銹鋼外殼防護，如圖6所示。

3 傳感器的安裝

對110 kV戶外SF6智能開關研發項目GW 4-126/J1250 產品觸頭處安裝無線無源溫度傳感器設計說明：

①安裝的無線無源溫度傳感器分兩種，一種是帶傳感器探頭，測量時保證傳感器探頭與被測面接觸；另一種是不帶傳感器探頭，有一個側面是感溫面，傳感器測到的溫度就是該感溫面的溫度。無論是采用哪種結構，溫度傳感器的測量要求都是傳感器的探頭或測溫面與被測物體緊密接觸。

②對GW 4-126/J1250隔離開關產品（如圖7所示）而言，加裝的無線無源溫度傳感器是為了監測隔離開關觸頭的溫度信息，需要在觸頭處植入無線無源溫度傳感器，完成對隔離開關觸頭溫度的采集。從使用的要求出發，溫度傳感器的探頭或測溫面必須與被測觸頭相接觸。

③對GW 4-126/J1250隔離開關產品的觸頭結構進行分析，選擇合適的安裝位置。

觸指側：水平方向上，內側需滿足與觸頭嚙合的要求，不能放置溫度傳感器。外側壓有板簧，板簧本身不導電，表面呈弧形，無法放置溫度傳感器。垂直方向上，上面和下面均為觸指的兩條棱邊，難以固定和安裝溫度傳感器。如圖8所示。

觸頭側：水平方向上，左右兩側需滿足與觸指嚙合的要求，外側需固定觸頭板，不能放置溫度傳感器。垂直方向上，觸頭板的上方或下方可以安裝傳感器的探頭，但無法安裝溫度傳感器模塊，但觸頭座的上方或下方可以安裝溫度傳感器。如圖9所示。

從以上對觸頭觸指的結構分析可知，觸頭板上適合放置溫度傳感器的探頭，觸頭座上適合放置溫度傳感器的測溫面。正是基于上述考慮，我們將溫度傳感器的探頭固定在觸頭板上，將溫度傳感器的測溫面固定在觸頭座上。根據安裝和檢修的方便，以及下雨時便于雨水的排出，我們最終確定將帶有測溫面的溫度傳感器固定在觸頭座的上方。見表3：

4 結 語

考慮到室外風速等因素的影響，以及無線測溫系統的精度影響，智能單元對最后采集到的溫度數據進行相應溫度補償調整，無論是觸頭相對于環境溫度的溫升過高或者ABC三項溫度差過大都會在后臺系統上進行預警。提醒工作人員做出合理判斷和處理。這兩種傳感器的優劣性須在工程應用中驗證。對比得出最優的方案在以后的工程中推廣。

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