外覆絕緣材料的高壓開關(guān)柜接頭溫度監(jiān)測技術(shù)

王大蔚

摘要：近年來，固體絕緣開關(guān)柜以其優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)能力，免維護(hù)和良好的環(huán)保性能等特點(diǎn)，被國家電網(wǎng)公司廣為推崇。固體絕緣開關(guān)柜采用新型環(huán)保固體材料作為絕緣介質(zhì)，將數(shù)組開關(guān)、帶電導(dǎo)體整體澆注固封，相對于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GasInsulatedSwitchgear，GIS）來說其體積更小、抗污染能力更強(qiáng)。但是一次回路熱功率很大且散熱性差，因接線樁頭接觸不良而引發(fā)的過熱故障一直是開關(guān)柜面臨的主要安全問題。

關(guān)鍵詞：外覆絕緣材料;高壓開關(guān)柜;溫度監(jiān)測

引言

目前，電力運(yùn)維人員廣泛采用的開關(guān)柜的測溫方法是人工測溫法。但該方法檢測的準(zhǔn)確度受人為主觀性影響較大，不同的電力運(yùn)維人員操作，檢測數(shù)據(jù)可能不盡相同，而且人工操作不適用于設(shè)備的長期測量，無法滿足實(shí)時(shí)性的要求。此外，人工操作手持式測溫設(shè)備采用的是有線通信，不僅會(huì)造成開關(guān)柜的布線繁瑣，在通信線污穢嚴(yán)重的情況下，還會(huì)造成開關(guān)柜絕緣水平下降，影響電力設(shè)備的運(yùn)行安全。另一種電力設(shè)備測溫是使用接觸式的傳感器來采集溫度，其特點(diǎn)是接觸式的，所以就導(dǎo)致安裝時(shí)必須進(jìn)行檢修停電，不僅如此，接觸式的測溫元件極易發(fā)生故障，一旦發(fā)生故障，需停電進(jìn)行檢修，影響用戶用電。

1熱點(diǎn)產(chǎn)生原因

高壓開關(guān)柜有多處母排搭接觸頭，并且隔離開關(guān)、斷路器觸頭、電纜接線樁頭是可分/合接觸，這些接觸點(diǎn)存在接觸電阻，電接觸位置由于長期的使用和頻繁的開閉操作而導(dǎo)致壓接部位產(chǎn)生松動(dòng)，回路電阻會(huì)因觸頭接觸狀況的不同而改變，一旦通入電流，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱點(diǎn)。按照DL/T404—2007《3.6～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》和GB/T763—1990《交流高壓電器在長期工作時(shí)的發(fā)熱》，在正常工況下各連接部位的回路電阻和溫升應(yīng)滿足規(guī)程要求。然而，一旦壓接點(diǎn)出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致接觸電阻增大，觸頭溫度高于正常運(yùn)行溫升水平會(huì)加快觸頭接觸面損壞程度，長期的溫升過高最終會(huì)降低絕緣層的絕緣水平，縮短開關(guān)設(shè)備壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)殡妷簱舸┮l(fā)開關(guān)設(shè)備的故障，引發(fā)大范圍的停電事故。

2 Lora無線通信系統(tǒng)

Lora無線通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：1）Lora無線通信具有良好的抗電磁干擾能力。測溫系統(tǒng)工作在高壓環(huán)境中，有著強(qiáng)磁場的干擾。基于強(qiáng)磁場干擾的條件，可以將Lora無線通信系統(tǒng)設(shè)定在基于空閑信道評估技術(shù)和動(dòng)態(tài)信道選擇技術(shù)兩種方法相結(jié)合的工作模式。2）Lora無線通信低成本且能耗低。開關(guān)柜中需安裝大量的分布式測溫終端，其安裝的節(jié)點(diǎn)較為分散，且節(jié)點(diǎn)較多。Lora無線通信具有能耗低的特點(diǎn)，因此即使節(jié)點(diǎn)眾多，其仍具有良好的經(jīng)濟(jì)性。3）Lora無線通信可靠性高。

3硬件電路設(shè)計(jì)

面陣傳感器包含數(shù)字信號(hào)處理芯片以及紅外熱電堆傳感器。傳感器功能組成框圖。熱點(diǎn)發(fā)射的輻射能量經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)由內(nèi)置探測器接收。此時(shí)光信號(hào)經(jīng)過大氣衰減等過程強(qiáng)度較弱，需要經(jīng)過放大器后傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器，此時(shí)已將光信號(hào)轉(zhuǎn)化至數(shù)字信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測量，還需對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行去噪等過程，最后結(jié)合環(huán)境溫度等計(jì)算出物體的溫度。MLX90640傳感器可在-40～85℃的環(huán)境中正常工作，測溫范圍為-40～300℃，滿足開關(guān)柜測溫的溫度條件。該傳感器刷新率最高可達(dá)64Hz。由于刷新率太高時(shí)噪聲干擾較大，所以對開關(guān)柜的溫度監(jiān)測一般采用16Hz。測量完成的數(shù)據(jù)更新到RAM區(qū)，占用1536B，MLX90640每次測量50%像素點(diǎn)，分兩次完成所有768個(gè)像素的測量，在邏輯上將每次測量完成的50%稱為一個(gè)子頁，故此數(shù)據(jù)幀有兩個(gè)子頁面（兩個(gè)子頁合并后才是完整的768個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)），每次完成50%像素點(diǎn)的分布模式有兩種。控制寄存器默認(rèn)的模式是棋盤模式，即第0子頁為768個(gè)像元中的奇數(shù)項(xiàng)，第1子頁為768個(gè)像元中的偶數(shù)項(xiàng)。如果要計(jì)算環(huán)境溫度，則必須同時(shí)讀取兩個(gè)RAM子頁，因?yàn)榄h(huán)境溫度的計(jì)算需要兩個(gè)子頁的數(shù)據(jù)合并以后方可獲得，即環(huán)境溫度的轉(zhuǎn)換速率比“控制寄存器1”設(shè)置的速率慢50%。標(biāo)準(zhǔn)的MLX90640模塊是在棋盤模式下校準(zhǔn)的，因?yàn)閭鞲衅髟谄灞P模式下具有更好的噪聲濾除性能，所以本文仍采用棋盤模式。

4仿真與模擬試驗(yàn)的比對

通過建模、仿真計(jì)算能夠大致獲取金屬本體和絕緣外層的溫度關(guān)系，對于仿真模型的準(zhǔn)確性，還需采用型式試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為模擬電纜接頭發(fā)熱現(xiàn)象，試驗(yàn)采用300W加熱器給金屬加熱，使導(dǎo)體溫度升高，直到溫升穩(wěn)定;接著用ST630型號(hào)的測溫儀（-50～380℃）分別測量記錄金屬導(dǎo)體、絕緣外壁以及空間環(huán)境溫度值。根據(jù)建立的模型仿真值，結(jié)合模擬試驗(yàn)對應(yīng)的記錄值，對比兩者實(shí)際對應(yīng)數(shù)據(jù)。仿真計(jì)算與模擬試驗(yàn)比較如表1所示。由表1可見，兩者之間存在一定的數(shù)據(jù)誤差，分析整個(gè)過程主要有以下原因：①試驗(yàn)過程默認(rèn)設(shè)備處于無限大空間中，為簡化計(jì)算仿真過程視為有限大空間;②穩(wěn)態(tài)時(shí)，金屬本體熱輻射過程遠(yuǎn)小于熱傳導(dǎo)過程，因此在計(jì)算時(shí)忽略了金屬對絕緣材料的熱輻射因素;③模擬試驗(yàn)過程存在不可避免的人為操作誤差，其中所采用的測溫儀器本身誤差為1K。

結(jié)束語

高壓開關(guān)柜內(nèi)部長期處于高壓、大電流以及強(qiáng)磁場的環(huán)境，對測溫方式的要求極高。目前大部分對于開關(guān)柜測溫課題的研究停留在對單一設(shè)備或局部易發(fā)熱部位點(diǎn)對點(diǎn)測溫的程度，忽略環(huán)境溫度對易發(fā)熱部位的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)故障信息晚報(bào)、誤報(bào)的現(xiàn)象。為此提出了面陣測溫的方式，對視場內(nèi)所有部位的溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對后期的溫度分布進(jìn)行可視化處理，減弱了環(huán)境因素對測溫準(zhǔn)確度的影響，對開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有更加直觀的表現(xiàn)。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)測溫穩(wěn)定性高，可檢測出局部過熱點(diǎn)及有效識(shí)別設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)，證明了面陣測溫方式在開關(guān)柜測溫中的可行性與先進(jìn)性。后續(xù)研究中可針對矩陣溫度信息，利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析的手段，對開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合歷史故障信息，提高故障分析預(yù)測準(zhǔn)確率，保障電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

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