一種高壓開關柜在線測溫系統設計

趙 潔

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司機電公司，陜西 延安 727307)

0 引言

陜西陜煤黃陵礦業地面供電系統主要承擔4個礦井生產和礦區生活用電的供電任務，處于高電壓和大電流狀態。母線部分多采用焊接、螺絲連接或壓接方式，35 kV、10/6 kV高壓開關柜內部螺絲、電纜頭等連接部位十分隱蔽；在運行過程中，容易受到電、熱、機械、環境等各種因素影響，人工巡檢肉眼觀察無法辨別設備運行的情況，有的地方無法直接進行測量，尤其是開關柜多采用KYN28A全封閉鎧裝柜體。斷路器采用小車式斷路器，這樣的柜體具有安全性能好，操作更加便利的優點，但由于采用的是全封閉結構，導致斷路器上下觸頭以及電纜接頭的接觸情況無法被直接觀察[1-3]。當柜內動靜觸頭、電纜接頭等連接部分接觸不良，在運行時有電流通過，會造成溫度升高，引起設備老化，絕緣下降，嚴重危害設備在運行期間的可靠性與安全性，如果任由過熱問題發展，會進一步損害絕緣件的性能及設備壽命，嚴重時將造成短路故障，損壞設備，當溫度達到一定程度時會發生電氣火災，中斷供電。

1 設備發熱原因及現有測溫系統

1.1 電力設備發熱原因分析

黃陵礦業公司機電公司每年都對電氣設備進行春季預防性試驗和秋季設備全面檢修工作，以及每月定期的設備檢修維護，但在電力系統實際運行中造成設備接頭發熱引發電氣火災，發現其原因并不是單一的。

機械強度下降：銅、鋁、螺栓、彈簧、彈墊會產生慢性退火變軟，喪失機械強度，導致變形和破壞。

絕緣性能降低：絕緣材料的使用壽命在估算時，“八度規則”經驗規律是較為有效的手段之一。當溫度上升8 ℃時，壽命就會下降一半[4-6]。

諧波形成的影響：由于產生大量諧波的用電設備不斷增加，諧波會在并聯電容器的大量使用下放大，使得諧波造成的危害加重。由于諧波的頻率較高，使導線的集膚效應加重，因此銅損急劇增加，非線性負荷的負荷電流可能增加到線性負荷的50%，使得導體發熱[7]。

現場其他因素：例如在檢修期間，如果檢修工藝使用不合理，也會影響電力設備的正常運行。這類問題有母線在安裝與加工等過程中，對母線接觸表面的處理不合理，有不光滑、不平整等問題的出現，從而造成有效接觸面積減少，接觸電阻增大而發熱。過負荷、短路引起溫升是比較常見的，但是其他原因則經常被人們忽視。負荷大小并不是影響接觸不良和諧波的的主要因素[8]。也就是說，開關的質量再好，當負荷容量達到相關的條件后，也會出現溫升超標的情況；溫升的上升同樣也會受到接觸不良等問題的影響。所以造成溫升問題的因素有很多，不止負荷大一個原因。溫升所帶來的影響一般有絕緣擊穿等急性故障，也有絕緣性能下降等慢性故障。電氣設備的健康狀態也會受到溫度和絕緣的影響。所以在規避電氣事故發生時，溫升狀況的掌握是十分有效的[9]。

針對以上問題，目前機電公司制定以下對策。比如在操作質量上，加強值班員業務水平，提高倒閘操作質量；要定期巡查，做好斷路器動靜觸頭、刀閘觸指、觸頭分合等位置是否對應等工作。以上措施雖能夠降低事故發生的幾率，但仍然無法在第一時間發現隱患。

1.2 現有測溫系統

目前常用的測溫系統分為有源測溫和無源測溫，有源測溫有紅外線溫感系統和無線測溫系統，無源測溫主要為光纖測溫系統。

紅外測溫儀：人工巡查測溫過程中，紅外測溫儀的使用較為普遍，雖然使用較為靈活，但是成本較高，精準度不高，實時監測效果不是很理想，且一旦遇到遮擋物，紅外線便無法穿過，同時會受到周圍磁場的影響，導致紅外測溫儀的應用范圍較低。由于開關柜的空間有限，不適宜安裝紅外測溫探頭，原因是探頭安裝后需要與周圍的物體保持一定的距離，易受周圍環境的干擾，導致測溫的精度受到影響。

無線測溫系統：電池供電或CT取能是無線測溫系統的傳感器電能的來源，測溫芯片在得到信號之后通過無線芯片發出，該方案在實際應用中為有源方案，雖然可以滿足溫度信號的無線傳輸，但是在電能的來源為電池供電或者CT取能，存在需要定期對電池進行更換的缺點。由于是電池供電，在夏季時隨溫度升高，電池對高溫的抵抗能力變差，從而會對電力部門的工作造成極大影響[8]。CT取能雖然不需要更換電池，但是接頭電流較小，電能無法取出等問題，導致傳感器的工作停止；如果電流較大，這時極有可能造成傳感器被燒壞。CT取能的缺點是傳感頭的體積較大，取能效率會受到布放位置的影響，且適用性較低，CT取電需控制好磁飽和曲線，參數選擇不當時會損壞傳感器部分的電路或讓傳感器無法工作，影響可靠性。

光纖測溫系統：這些年在國內外高壓測量研究中，對光纖技術的研究與應用比較廣泛，光纖技術可以實現在線測量，得到電量參數。光纖傳輸系統在實際應用中，主要是由于其具有耐腐蝕、絕緣強度高等特點，且體積較小，適應于高電壓測量，所以有良好的應用效果。光纖式溫度測溫主要的信號來源是光纖信號，在帶電物體的表面安裝溫度傳感頭，光纖是連接測溫儀與溫度傳感器的方式。分布式光纖測溫、熒光光纖測溫、光纖光柵等是光纖測溫的主要方式，其中優勢最為明顯的是熒光光纖測溫，不僅便于安裝，而且使用壽命較長，可以實現多路多點的溫度監測，尤其是在大規模的溫度點監測中，適用效果更明顯。在測量期間精準度與分辨率較高。傳感量檢測及傳輸均為光信號，不僅在不同的環境中有良好的適用性，還不會受到電磁干擾的影響。在安裝期間由于體積小，所以安裝較為方便與簡單；使用期間既無需電池或者交流取電，又不受現有環境限制，所以維護簡單，經濟可靠性高。

2 設計方案

2.1 設計方向

針對本單位目前電氣設備實際情況，所要采用的在線測溫系統必須實現的功能有：解決高壓開關柜、變壓器等高壓設備精準測溫問題；解決測溫設備在高溫、高壓、高磁場中信號傳輸穩定可靠問題；解決礦區所有配電室與電力調度實時數據傳輸問題；實現測溫系統與消防報警系統的實時聯動。

2.2 光纖測溫系統

系統組成：主要由熒光光纖、光纖測溫儀、DTU(數據處理單元)、上位監控機和人機交互軟件等部分組成。

系統原理：利用光纖傳感器采集被監測部位的溫度信息，傳送給光纖測溫儀，通過光纖測溫儀將光信號解調為溫度數值，來監測被監測部位的溫度測量，測溫系統功能框圖如圖1所示。

圖1 測溫系統功能框圖

系統優勢：長期的應用中發現該系統具有良好的性能，主要表現為高絕緣、耐高溫與耐老化等；稀土鋁酸鹽是光纖傳感器末端的主要物質，而聚四氟乙烯是尾纖護套的材質的主要材料，這些物質具有良好的耐老化與耐高溫等特質，所以可以適用于高壓、高溫、強電磁等不同的環境。

熒光測溫的基本原理：當受到外界光刺激后某些稀土物質就會發光，若無來自外部的刺激，也會自主的持續發光一段時間，而這個持續時間是和溫度相關的，通過測量熒光余暉的時間從而反演出溫度。

熒光測溫工作步驟：①光源發出一束光脈沖，通過耦合器調制后射入光纖傳感器中；②光纖傳感器反射回一束特定波長的光信號，該信號攜帶有被測點的溫度因子；③信號處理電路對該光信號進行分析、計算后得出被測點的實際溫度。

2.3 安裝方案

在安裝過程中，可將光纖傳感器安裝在斷路器觸頭、母線連接處、開關柜電纜倉、變壓器線圈內等關鍵部位。其接線簡單、便利、美觀。

2.4 實施方案

將光纖測溫儀測得的溫度數據接入該配電室的消防滅火裝置和DTU主機，消防滅火裝置通過和測溫儀的聯動實現滅火裝置自動啟動，進行電氣滅火，DTU通過4G通訊模塊將采集數據通過4G網絡傳輸至電力調度系統及個人手機。同時，該溫度監測系統還應具備上傳的溫度數據可以進行實時查看和歷史曲線查看，并具備高溫報警及溫升過快報警功能。開關柜光纖測溫總體方案示意圖，如圖2所示。

3 結語

煤礦變電站對供電安全要求等級較高，隨著礦區變電站無人化建設的推進，實現了變電站高壓設備精準測溫。調度中心通過測溫報告，可實時分析設備的生命周期，及時安排檢修計劃，降低設備故障率，有效保證了礦井生產和職工生活的用電安全。