溫升預警弧光防爆系統在開關柜中的應用研究

李小暉，樊曉蘋，龐偉生，史建成，楊俊俊

（海北供電公司，青海 海北 812200）

溫升預警弧光防爆系統在開關柜中的應用研究

李小暉，樊曉蘋，龐偉生，史建成，楊俊俊

（海北供電公司，青海 海北 812200）

文章分析開關柜溫升原因，提出利用無線射頻技術從根本上解決開關柜溫升的在線監測難題，并結合弧光防爆機制，防止事故擴大。

溫升預警；弧光防爆；無線測溫

近年來，隨著電力負荷的高速增長，在電廠和變電站時常發生因開關柜發熱造成火災和大面積停電的事故。如何解決開關柜等電氣設備發熱的實時監測及發生故障時的快速切除，是杜絕此類事故發生的關鍵。為此文章提出建立電力設備溫升預警與電弧光防爆相結合的機制觀念，利用小巧的測溫終端和無線射頻技術對易發熱部位進行實時監測，利用弧光傳感器對連接點處弧光信號進行檢測，保證電力設備的安全穩定運行。

1 開關柜溫升故障

發電廠、變電站的高壓開關柜中，眾多高壓電氣設備連接點（如高低壓電纜末端與斷路器、變壓器、電動機等電氣設備或線路連接處的電纜終端頭，開關柜內動、靜觸頭等）是電能傳輸過程中的最薄弱環節。由于開關柜的特殊結構，這些薄弱環節的溫度無法進行人工巡查和實時監測。當溫升超過連接處材料的最大允許溫度值時，就會引起發熱故障，輕者引起開關柜動作性能降低，重者將會引起設備嚴重燒損事故[1]。如某220kV變電站主變低壓側開關柜由于長期超溫，真空斷路器絕緣拉桿性能逐漸劣化，最后失去其絕緣性能而引發單相弧光接地[2]。某主變10kV開關柜因發熱引起開關柜爆炸[3]。

2 溫升故障原因

眾多事故表明電力設備溫升故障都是在電能的傳輸過程中，因接觸電阻增大，接觸不良導致的。通常開關設備的溫升取決于發熱和散熱兩方面因素，同時與流過載流體的電流密度、材料、機械結構、接觸面狀況等因素相關。當開關設備通以正常工作電流時，由于電阻損耗、渦流損耗和磁滯損耗等，電能被轉變為熱能，其中一部分散失到周圍介質中去，另一部分加熱載流導體使其溫度升高[4]。負荷的投入與切除，造成連接點處的溫度不斷變化，形成惡性循環：溫升、膨脹、收縮、氧化。從而在長期的運行過程中造成金屬腐蝕、金屬磨損、被覆層失效、接頭壓力失當，導致接觸電阻增大[5]，接觸不良，溫升加劇。

3 溫升預警弧光防爆的必要性

數據表明，由于長期的累積效應，運行中的開關柜，當負荷達到滿容量的70%時實際溫升水平已超過試驗室測出的溫升數據[6]。因接觸不良導致連接處的溫度上升到一定程度時，設備絕緣便會急劇下降。當溫度超過連接處絕緣材料的極限時，會使絕緣擊穿，形成短路，產生電弧放電現象。只要兩端的電壓提供的能量足以補償熱損耗并維持適當的溫度條件，電弧將會持續發生。發生弧光故障后，若沒有及時采取措施，弧光沖擊波以300m/s的速度爆發，在極短時間內（100ms）產生很大的損壞，摧毀途中的任何物質，損壞的程序和故障存在的時間長短成正比（見圖1）。因此弧光是導致設備損壞的能量來源。

基于上述原因，需研發出一套同時具備溫度實時監測預警與弧光保護功能的裝置，從根本上解決上述隱患。

圖1 故障與時間的比例圖

4 溫升預警弧光防爆裝置系統

溫度預警弧光防爆裝置由無線測溫單元、弧光單元、電流單元三大部分組成。

無線測溫單元由無線溫度傳感器和無線信號接收單元組成。無線溫度傳感器由溫度檢測單元、控制單元和無線傳輸模塊組成。金屬式可拆卸式自取電和電池式兩種結構。采用低電流啟動技術（自取電式）和低功耗CPU技術，每一個傳感器采用唯一性固定地址編碼，確保相互間互不干擾，將信息發送給無線接收單元。安裝于需監測溫度的各連接點處，實現設備溫度的實時在線監測。溫度信號采用無線傳輸形式上傳至接收單元，并在裝置屏幕上實時顯示。一旦出現溫度異常情況，立刻上傳報警，通知維護人員及時排除隱患，把故障消除在萌芽狀態，達到防患于未燃的目的。為避免因無線信號受到干擾、無線溫度傳感器損壞等原因，造成溫度突變，裝置具備溫度突變閉鎖保護功能，確保裝置不會溫度突變誤動作。

弧光保護單元中的弧光傳感器安裝于適當的位置，弧光探頭正對各連接點，用于檢測電弧光信號。防止溫度快速上升，使設備絕緣降低，引發電弧光故障，造成人身和設備傷害事故。為防止采用單弧光判據時，裝置誤動作，弧光保護加入電流判據。在中性點不接地系統發生單相接地時，因接地電流的大小取決于系統運行方式，接地點阻抗等各種因素。采用“弧光+電流”保護判據時存在拒動的可能性。裝置在弧光保護中新增“弧光+零序電壓”、“弧光+零序電壓+電流”判據。

電流單元主要用于監測設備運行電流，并配置三段式過流保護和過負荷保護，另一方面與弧光保護配合，構成弧光保護動作雙判據。

5 產品特點及適用范圍

主要特點：①實時性：可以在線監測溫度變化，無需人工現場測量；②安全性：無線傳輸，無連接導線，不用現場維護，安裝方便；③低功耗：無線傳感器，采用低功耗設計，可穩定使用10年；④準確性：金屬性外殼，快速反應實際溫度，測量精度可達0.5℃；⑤經濟性：溫升預警+弧光防爆雙重保護，從最大程度降低設備損壞程度，減少人員與設備成本投入。產品可應用于電力電纜頭、高壓開關柜系統、變電站系統、箱變系統等通過監測連接點處溫度的運行情況，可實時跟蹤設備運行狀態，防止因接觸不良導致溫度上升，引發弧光故障，導致設備與人身傷害事故的發生。

[1]郭玉成,劉穎穎.35kV開關柜常見溫升故障及處理措施探討[J].電力科技,2012,(12):173.

[2]王帥.10kV高壓開關柜燒毀事故分析[J].貴州電力技術,2011, (10):29-31.

[3]謝亮.運行中高壓開關柜實際溫升分析[J].電力安全技術, 2015,(10).

[4]賈一凡,王博,陸瑤,等.開關柜溫升試驗方法研究[J].高壓電器,2013,49(8):87-91.

[5]方華林.防止接頭發熱的新材料[J].農村電氣化,2006,(9):59-60.

[6]孫園,陳曉東,陳天翔.中壓開關柜溫升分析與估算[J].廈門理工學院學報,2015,(1):45-50.

V351.31

A

2096-2789（2016）12-0116-02

李小暉（1984-），男，湖南郴州人，助理工程師，研究方向：繼電保護。