高壓開關柜過熱原因分析及監測措施

夏志軍

(國網瀘州供電公司，四川瀘州636064)

高壓開關柜過熱原因分析及監測措施

夏志軍

(國網瀘州供電公司，四川瀘州636064)

35 kV及以下封閉式高壓開關柜在電網中日益廣泛運用，封閉式高壓開關柜比常規戶外式開關在減少占地、防止設備銹蝕等方面具有較大優勢，但也因此存在動靜觸頭等部分部件無法直觀觀測的致命弱點。在設備長期運行過程中，開關柜中的動靜觸頭結合部等部位會由于種種原因引起發熱，由于開關柜處于封閉狀態導致這些發熱部位的溫度無法觀測，過熱缺陷日積月累便會最終導致設備損毀等事故發生。通過對封閉式高壓開關柜過熱原因進行分析，在此基礎上研究提出了在線監測措施，希望能對防范高壓開關柜過熱事故提供一些幫助。

高壓開關柜;過熱;監測

0 引言

伴隨社會經濟的飛速發展，當今社會對電力的依賴越來越強，對電力可靠性的要求也隨之越來越高。近年來大規模的水電、火電等常規能源和太陽能、風能等新能源發電項目建設，讓電力短缺的日子漸漸遠去，保證電力持續可靠供應的主要焦點已從發電轉移到電網。如何保證電網安全穩定和經濟運行，保證對電力客戶的持續可靠供電，自然成為電網企業的首要使命。而保障電網安全穩定運行，除強化電網網架結構完善外，更主要的任務是保證現有電力設備的安全穩定運行。

隨著技術的進步及土地資源的日益珍貴，目前35 kV及以下配電系統已廣泛采用封閉式高壓開關柜。運行中封閉式高壓開關柜比常規戶外式開關在減少占地、防止設備銹蝕等方面具有較大優勢，但也存在動靜觸頭等部分部件無法直觀觀測的致命弱點，設備長期帶電運行時，開關柜中的動靜觸頭結合部、刀閘結合部、母線連接點、電纜頭T接點等部位會由于設備制造、安裝不良及設備自然老化引起接觸電阻過大而發熱，這些現象在大電流開關柜如總路進線柜、母連柜上尤為突出;如果這些發熱部位的溫度無法監測，則最終發熱嚴重會導致燒毀開關柜的事故發生。近年來，國家電網公司系統有變電站已發生過開關柜因過熱而燒毀的事故，甚至是“火燒連營”，造成整個開關間設備損毀，釀成大面積停電。開關柜更換涉及停電范圍廣，施工周期長;若遇整個開關間設備損毀的嚴重局面，按目前中國大部分地區的配電網狀況來看，若遇一個變電站10 kV全停，配電網根本無力轉供所有負荷，特別是在電網迎峰度夏和迎峰度冬等大負荷時節。因此，分析清楚封閉式開關柜過熱的主要原因，實時掌控開關柜內部件特別是手車觸頭等元器件結合部的溫度狀況，提前發現封閉式高壓開關柜的過熱異常狀況，提前采取檢修措施，對保證電網安全穩定運行、保證對電力客戶的持續可靠供電具有重要的現實意義。

1 封閉式高壓開關柜過熱故障及原因分析

電力設備的過熱往往是在接頭產生，根據電工理論，在電路中，1個電氣接頭的熱量是用Q=I2Rt表示的。式中:Q為產生的熱量;通過截面的電流為I;接頭的電阻為R;t為電流作用的時間。實際運行中的設備，不管應用哪種材料哪怕是超導材料，都有材料電阻值存在，電流流過導體就會產生熱量。當某一接頭的電阻過大，熱量在這一部位就會特別突出，若散熱熱量無法抵消發熱量，就會使熱量在這一點集中，使本部位的溫度升高，當溫度超過了材料的允許溫度值或溫升，設備就會因過熱而燒損。運行中的電氣設備不同程度地會發生發熱現象，如不及時發現并處理，最終會導致開關柜燒毀等嚴重后果。下面以KYN28－12高壓開關柜為例，分析開關柜過熱故障形成的原因。

1.1 封閉式高壓開關柜主要構成

以電力系統目前應用較多的KYN28－12出線柜為例，封閉式高壓開關柜的一次設備分布在3個相互獨立的隔室內，分別是斷路器室、母線室、出線室，二次設備獨立設置在繼電器室內，結構示意如圖1。

圖1 KYN28－12開關柜結構示意圖

1.2 封閉式高壓開關柜過熱主要原因分析

1個KYN28－12高壓開關出線柜一般至少會有18個接頭部位通過大電流，分別是:在斷路器室內一般有6個主接頭(即手車觸頭)，每個觸頭有10多個流過負荷電流的連接點(即手車觸指);在出線室有連接出線電纜的3個主接頭、連接電流互感器的6個主接頭;在母線室有支路與主母排的3個T接點。上述接頭部位除避雷器連接點外均有負荷電流通過，遇負荷電流較大時，存在隱患的連接點就會發熱;而這些連接點中，根據電力系統運行經驗，發熱部位主要出現在6個手車觸頭、3個出線電纜T接點等兩處位置，這兩處發熱點特別是手車觸頭發熱點由于在密封柜內，封閉式高壓開關柜運行中的柜門禁止打開，值班人員無法通過正常的肉眼巡視或紅外測溫等監視手段發現熱缺陷，發熱嚴重時接頭會膨脹、變紅、甚至熔斷，最終釀成事故。

導致封閉式高壓開關柜發熱缺陷的原因比較多，綜合起來主要包含以下幾個方面:

1)電氣連接部位接觸不良，導致發熱。

①造成封閉式高壓開關柜電氣連接部位接觸不良的原因，大都是因檢修安裝人員工作失誤或安裝工藝存在缺陷有關。施工中如果未嚴格執行工藝標準，安裝工藝出現了問題，便為封閉式高壓開關柜埋下了過熱隱患。如母線室的母線在加工、連接以及安裝環節當中，若出現母線表面不光滑、不平整、有油污和氧化、搭接面不足寬度的1.5倍、搭接壓力不足、未使用專用導電膏加工處理等等紕漏，均會造成母排聯接點接觸電阻增大，導致發熱。再如出線室電纜T接時，若出線電纜與開關引出線的連接處接觸面不足，或連接壓力不足，甚至鋁排與出線電纜未采用銅鋁過渡措施，均會引發電纜接頭發熱。因此，需要強化對封閉式高壓開關柜安裝工作質量的監督，確保嚴格依照廠家提供的安裝說明以及相關的技術標準、工藝進行施工，才能把好開關柜發熱故障的第一道關口。

②電氣接頭和設備線夾接觸面氧化，造成發熱。各運用中的電氣設備接觸面無論壓接多緊，總會有一定縫隙，運行時間長后，一層氧化膜就會發生在接觸面。接頭氧化后接觸電阻就會增加，運行時接觸電阻的增加會引起該接觸面變熱，變熱又會加速接觸面的氧化反映，如此反復循環，最后疊加釀成發熱故障。

2)手車觸頭接觸不良，導致發熱。

圖2 高壓開關柜的典型過熱故障

手車觸頭發熱多數是因為長期運行，觸指壓緊彈簧疲勞或者彈簧銹蝕老化功能減退，引起觸頭與觸指的接觸壓力不足，觸指與觸頭接觸不充分，引起接觸電阻增加和有效載流截面變小造成發熱。并且運行中由于觸指壓緊彈簧長期受壓縮，在電流作用下彈簧會產生發熱，加上觸頭由分到合或由合到分產生的電弧燒傷，運行時間久后彈簧的彈性會變差進而造成觸指壓緊彈簧壓緊力不足，壓緊力不夠引起手車動靜觸頭接觸不充分又會發熱加劇，如此反復惡性循環，造成觸頭發熱日益嚴重，最終甚至會造成壓緊彈簧斷裂觸頭散落，動靜觸頭接觸極差而燒毀。此外，部分封閉式高壓開關柜內的手車操作機構行程不當，造成不能將手車完全搖至預設位置，從而在手車動靜觸頭間插入深度不夠，因接觸面不足而引起發熱升溫，造成了開關設備的損害。因此，為防范手車觸頭發熱，在開關柜每次檢修時都應仔細檢查手車觸頭的燒損情況、檢查壓力彈簧是否完好、檢查觸頭插入深度是否滿足要求，且在每次檢修都需要涂導電膏降阻防腐，從而防范因觸頭接觸不良而引起發熱。

3)負荷電流過大，導致發熱。

①設備本身質量問題。許多老舊變電站的封閉式高壓開關柜在建設時，受當時經濟發展等因素影響導致當時規劃設計裕度不高，造成所選的開關設備容量與后期實際運行的容量不匹配，導致在后期運行過程中，隨著用電負荷的不斷增長，開關動靜觸頭的載流量無法滿足負荷增長的需求，且加上動靜觸頭日久氧化，接觸電阻增大，觸頭會出現局部溫升現象。

②負荷電流突變，導致發熱。依據DL/T 593－2006《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》，開關柜觸頭溫升不應超過35℃，即在室溫最高為40℃時，其最高運行溫度不應超過75℃。正常運行時，其負荷電流產生的熱量經空氣冷卻后處于熱平衡狀態，溫度升高不會超過允許值;但當遭遇比平時增加1倍或幾倍的負荷電流突變時，特別是線路遭受短路電流沖擊后，設備溫度急劇增加，溫升超過允許值，其薄弱部位就會過熱，產生氧化等物理或化學變化，又會增大接觸電阻，經過多次反復的惡性循環，接頭的接觸電阻越來越大，過熱情況越來越嚴重，最后造成接頭熔毀。

4)環境溫度高，造成散熱不良。

為防止人體接近封閉式高壓開關柜的高壓帶電部位和觸及運動部位造成傷害，以及避免敞開式開關柜容易進入異物引起開關柜短路的危險，根據《戶內封閉式高壓開關柜訂貨技術條件》第6.5.2條規定，在最高防護等級IP5X時，開關柜的縫隙小到能防止影響設備安全運行的大量塵埃進入，如此嚴密的防護，在夏季高溫季節室內環境溫度過高，將造成開關柜散熱困難。電氣設備接頭(母線連接、電纜T接等)一般常用螺栓連接，螺栓一般為鋼材質，而母排或電纜設備線夾采用鋁或銅材質，鋼材質的螺栓膨脹系數比鋁排或銅設備線夾小，遇溫度變化時母排與螺栓由于膨脹或收縮比率不一致，就會逐步造成接觸壓力降低→接觸電阻增加→接觸電阻升高發熱又使接觸面氧化→氧化膜的形成又使接觸電阻更大，如此溫度變化的惡性循環。

2 封閉式高壓開關柜溫度監測

2.1 目前封閉式高壓開關柜溫度監測主要手段

封閉式高壓開關柜內部過熱現象已成為開關柜使用中的常見問題，如果不加以控制，過熱程度會不斷加劇，引起開關柜壽命加速老化，性能大幅降低，嚴重時將引起設備故障，甚至造成事故。目前國內外已有大量關于封閉式高壓開關柜測溫方面的技術研究，從測溫元件與被測設備的接觸方式劃分主要分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩種。按照各種測溫方法的主要特征，目前主要有如下4種測溫方法。

1)測溫片測溫法:這是一種最傳統的測溫方法，屬接觸式測溫法，此種方法是通過在電力設備接觸點粘貼示溫蠟片或在設備表面涂一層發光材料，發光材料的顏色能隨溫度變化，不同的顏色變化即代表不同的溫度，設備的溫度情況通過由運行人員看顏色變化來大致確定。

2)紅外測溫法:基于輻射定律，任何溫度高于絕對零度的物體都會不停地向空間發出紅外輻射能量，而且溫度越高發出的紅外輻射能量越強，因此只要運用適當的紅外檢測儀器，檢測設備發出的紅外輻射能量，再經過專門的信號處理系統進行處理，就可以獲得設備表面的溫度分布狀況，并進一步獲取設備運行狀態信息，這是紅外檢測的基本原理。由于紅外測溫能方便地實現電力設備帶電狀態下對設備的溫度狀況進行直觀形象的檢測，測試過程簡單方便，勞動強度低、監測面積廣、監測效率高，因此電力系統目前已將紅外測溫作為了帶電檢測主要技術手段。

3)光纖測溫法:這是一種目前在封閉式開關柜上應用較多的接觸式測溫法之一，按照光纖測溫的基本原理和作用，光纖測溫分為光纖光柵測溫技術與光纖分布測溫技術。光纖分布式測溫技術是在20世紀70年代末提出，其測溫原理是利用光纖后向拉曼散射的溫度效應和光時域反射技術(OTOR)來獲取空間溫度分布信息的檢測方法，測溫范圍可以達到0℃～370℃。光纖光柵測溫技術是通過光纖光柵感溫探測信號處理器，通過檢測光柵反射光的波長變化，從而測得被測物體溫度。

4)無線測溫法:無線測溫法是目前在封閉式開關柜上應用較多的接觸式測溫法之一。一般無線測溫系統通常由分布式測溫傳感器、溫度采集器、后臺監控分析系統等3部分組成。其中分布式測溫傳感器直接安裝在被測部位，與高壓電氣設備直接接觸，溫度采集器放置在高壓室外，分布式測溫傳感器與溫度采集器之間的信號傳輸采用無線通訊方式進行數據的傳輸，這樣一來既實現了直接接觸測溫，確保了采集數據的可靠性，又解決了傳統直接接觸測溫的高壓、低壓隔離的問題，因而該測溫法目前已在封閉式開關柜測溫技術中得到廣泛應用。

2.2 各測溫方式的主要優缺點

1)測溫片測溫:常規的示溫片測溫法是通過觀察示溫蠟片是否溶化掉落或熱敏材料示溫片的顏色變化程度來大致確定溫度范圍的一種方法。這種方法雖較為直觀，但由于其不能準確體現出設備的具體溫度值，只能在溫度過高時提供“設備過熱嚴重”的定性判斷，不能進行定量測量，而且需要人工定時察看，因此此種測溫方法效果較差。而熱電阻、熱電偶等測溫方式，工作時需要通過金屬導線對外傳出信號，不能實現高低壓隔離，因此不能用于封閉式高壓開關柜。

2)紅外測溫:目前常用的手持式紅外熱成像儀是一種非接觸式測溫方法，它通過檢測待測物體表面的輻射熱能值來獲得待測物體的溫度值，測試時要求被測物體與測試儀器之間部門有物體遮擋。為保證安全封閉式開關柜在運行過程中柜門是不能開啟的，因此紅外測溫儀器便不能透過開關柜外殼直接測量到開關柜內部溫度情況，無法反映高壓開關柜運行過程中內部的真實溫度情況。且由于紅外測溫儀器需人工操作，因此無法實現不間斷在線測量，且測溫數據受測試人員的人為影響較大，如檢測距離遠近、輻射系數的選擇都會影響測試結果的準確性。

3)光纖測溫:光纖測溫法也是一種直接接觸測溫法，光纖溫度傳感器采用光導纖維傳輸信號。由于光纖自身具有優異的絕緣性能，因此可以直接將光纖溫度傳感器安裝在開關柜內的高壓設備上，實現對高壓設備運行溫度的準確測量;然而，光纖具有易折、易斷、不耐高溫等弱點，要在結構緊湊的開關柜內布線難度較大，若光纖運行時間久積累灰塵后導致光纖沿面放電，有引起開關柜發生內部短路的危險。此外，光纖測溫系統配置元件成本較高，系統投資相對較大。

4)無線測溫:無線測溫是最近幾年開始推廣的測溫方法，它也是一種直接接觸測溫法。采用將感知溫度的測溫元件——溫度傳感器緊貼在被測物體表面，與被測物體為高電位工作，接收模塊處于低電位工作，兩者之間采用無線通訊傳輸數據，兩者之間徹底物理隔離，絕緣水平滿足規程要求。傳感器安裝簡便、方案可行，且不會破壞原開關柜結構(如解體開關柜部件、在母線上打孔等)，不會影響原開關柜性能(如絕緣水平、安全距離、動穩定性、熱穩定性、散熱功能等)。目前，國內已廣泛采用無源無線測溫，無源無線測溫系統采用的傳感器無需電池(電源)驅動，從而提高了系統的可靠性、安全性，由于無需考慮功耗，因此在數據提取頻次上也可不受限制，可以實現不間斷在線監測;同時沒有了電池更換帶來的維護成本和停電損失，保證了對外供電可靠性不受影響。無源無線溫度傳感器自身體積小，可根據需要制成多種樣式，因此傳感器可以不受封閉式開關柜緊湊結構的影響，能夠方便地安裝在開關柜母線T接點、斷路器手車觸頭等狹小的電氣節點中，直接接觸設備測試其溫度，因而其測量精度較高。

2.3 小結

通過上述分析，不難看出，采用無線傳感器技術的無線測溫法在安全性、可靠性、環境適應能力強等方面擁有其他測溫法無法比擬的優點。特別是近年基于聲表面波技術的無源無線測溫技術的發展，無線測溫技術可以在高壓開關柜內高電壓、大電流、強磁場的環境下實現對觸頭的高精度、高穩定性的測量;且易于構成分布式測溫系統對所有觸頭、引線等溫度點進行實時在線式監測，因此是更加適合封閉式高壓開關柜溫度監測的技術手段。

3 結論

造成封閉式高壓開關柜過熱的原因很多，通過加裝無線測溫裝置等技術手段，實時掌控開關柜內部元件特別是手車觸頭等元器件結合部的溫度狀況，提前發現封閉式高壓開關柜的過熱異常狀況;提前采取檢修措施，對防范過熱故障導致封閉式開關柜損毀等事故發生，保證電網安全穩定運行具有重要的現實意義。

［1］許偉琳.高壓開關柜的故障類型及其處理措施初探［J］.科技資訊，2010(27):39－41.

［2］尚麗.電氣設備接頭發熱原因的分析及處理［J］.大眾用電，2002(10):26－27.

［3］許一聲，顧霓鴻.高壓開關柜觸頭溫度在線檢測儀［J］.高壓電器，2005，41(2):139－140.

Enclosed high－voltage switch cabinet at 35 kV and below is widely used in power grid，and it has great advantages in less space and anti－corrosion for equipment than the conventional outdoor switchgear.But there is a fatal weakness in the presence of partial components that cannot be directly observed.In the long－term running process of equipment，the junction parts of dynamic and static contacts in switch cabinet will be caused overheating due to various reasons，the temperature of these heating parts cannot be observed because the switch cabinet is enclosed，and the overheating defects which accumulate for a long time will eventually lead to equipment damage and other accidents.The on－line monitoring measures are proposed based on the cause analysis on overheating of enclosed high－voltage switch cabinet，which is helpful to prevent overheating accident of high－voltage switch cabinet.

high－voltage switch cabinet;overheating;monitoring

TM591

A

1003－6954(2015)06－43－04

2015－07－31)