安科瑞 陳聰

摘 要：作為保證系統(tǒng)安全運行的重要設備的高壓開關柜裝置,其內部導電連接處過熱會導致電氣設備的損壞,更嚴重的是可能還會發(fā)生火災等嚴重事故。因此,電力系統(tǒng)中電器設備安全運行的一個重要課題就是對高壓開關柜實施在線監(jiān)測。本文主要研究的是針對高壓開關柜接點的無線測溫技術,闡述了高壓開關柜在無線測溫的技術特點及工作原理，具有測量數(shù)據(jù)準確、可靠性高、絕緣性能好的特點,能很好的適應現(xiàn)場需求,可以在高壓開關柜中廣泛應用。同時介紹了在某風電場項目應用操控及無線測溫技術，并實現(xiàn)及時告警避免了嚴重事故的發(fā)生。 

關鍵詞：高壓開關柜；電氣接點；無線測溫

1 概述

我國電力系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展，增加了高壓開關柜的運行壓力，隨著電網的改革與建設，高壓開關柜的數(shù)量越來越多，增加了故障的發(fā)生機率。高壓開關柜內存在的電氣連接點主要包括母線銅排連接點，手車動靜觸頭連接點以及銅排和電纜連接點，在這些點位需安裝溫度傳感器進行溫度測量。

溫度測量技術的選用：傳統(tǒng)的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等測溫，溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導線傳輸溫度信號。電氣設備測溫檢測，由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點/觸點上，其信號傳輸金屬導線的絕緣性能無法保證。 同時，對于改造類項目實施難度較大，因此推薦采用無線測溫方法進行檢測。目前無線測溫方法包括電磁感應供電無線測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。紅外測溫需要鏡頭對準發(fā)熱點，塵土震動對其影響較大；有源無源測溫較合適，無需布線，易于安裝，但有源測溫需要外供電池，受電池壽命影響，需要更換；電磁感應供電無線測溫具有測溫速度快、周期短、免維護、使用壽命長、故障率低等特點。

無線傳輸技術選用：無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，其中應用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無線通信方式包括：Sub-1G技術、藍牙技術(Bluetooth)、工業(yè)無線技術( WiFi)、超寬帶技術(UWB)、近場通信技術 (NFC)。藍牙技術(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術，傳輸距離10m范圍以內，至高傳輸速率約1 Mb / s，其有效速率約為 723 kb / s；超寬帶技術 (UWB)傳輸速率一般結余 53 ~ 480 Mb / s 傳輸距離小于40 m；近場通信技術(NFC)適用于近距離貼近操作。Sub-1G技術的主要特征包括：傳輸速率較低;通信距離較長；設備功耗很低，發(fā)射輸出僅為10dBm；通信組網簡潔。這些主要特征使Sub-1G 通信技術傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

2 產品方案

某風電場項目的對傳感器要求如下：

1）非電池供電（采用感應取電方式供電）的無線溫度傳感器

2）無線頻率：470MHz；

3）啟動電流：≥5A； 

4）測溫范圍：-50 ℃～+125 ℃；

5）采樣頻率：15s；

6）發(fā)射頻率：15s；

7）精    度：±1℃；

8）工作溫度：-40 ℃～+85 ℃；

9）至大工作電流：一次額定電流 5000 A；

10）溫升要求：在額定工作條件下，裝置不應達到可能影響開關柜一次設備絕緣及被測點正常工作的溫度，裝置的電流互感器線圈通過1250 A，30 min，環(huán)境溫度為20 ℃時，無線溫度傳感器表面溫升不應超過10 K。

11）傳輸距離：空曠距離不大于150米。

該項目的對智能操控及無線測溫一體裝置要求如下：

1）一次動態(tài)模擬圖，斷路器分合位置動態(tài)顯示；接地開關位置動態(tài)顯示；彈簧儲能動態(tài)顯示；

2）兩路溫濕度控制器功能，通訊線長4米6米，液晶顯示；

3）語音防誤提示功能，人體紅外感應探頭；

4）加熱器斷線報警；

5）柜內照明操作；

6）（除PT柜外）分合閘、儲能、遠方/就地開關；

7）高壓帶電顯示和閉鎖裝置；

8）RS485通訊功能，Modbus 通訊協(xié)議；

9）裝置工作電源應滿足交直流通用，支持AC/DC110、AC/DC220V自適應；

10）高壓斷路器觸頭6點測溫

根據(jù)上述要求，故此選擇安科瑞的無線測溫產品如下表。

3 項目現(xiàn)場應用

某風電場項目，對高壓柜開關柜進行綜合監(jiān)控，并對斷路器的觸頭進行溫度實時監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，一臺高壓柜斷路器的下觸頭的C相電流溫度高達116.8℃，智能操控裝置及時進行了語音告警，并對該超溫告警進行事件記錄。同時，工作人員斷開高壓柜斷路器，推出動觸頭后發(fā)現(xiàn)該相觸頭有損壞，事故原因為斷路器觸頭接觸不良。由于安科瑞的操控測溫裝置的及時告警，幫助現(xiàn)場及時排查問題避免了事故發(fā)生。

裝置告警界面圖

現(xiàn)場斷路器事故圖片

4 開關柜溫升原因分析

目前，電力系統(tǒng)內部使用的開關柜，都要通過型式試驗對入網的開關柜進行處理，在溫升方面，要求比較嚴格。根據(jù)相關理論進行分析可知，在實際運行過程中，通常情況下，負荷不會達到開關柜的設計滿容量，更不會引發(fā)開關柜的溫升問題。但是，實際情況并非如此。根據(jù)實際運行經驗可知，隨著負荷的不斷增加，使得開關柜的溫升迅速增加。當負荷超過開關額定電流的75%時，在這種情況下，溫升尤為明顯，此時早已不符合標準要求。當負荷比較低時，溫升現(xiàn)象不明顯。在實際運行中，與試驗室測出的溫升數(shù)據(jù)相比，開關柜實際溫升水平普遍比較高，并且多數(shù)情況下，當溫升超標時，開關柜甚至遠沒有達到設計滿容量。對于高壓開關柜來說，開關觸頭、母排連接點的實際溫升，通常情況下總是高于試驗數(shù)據(jù)，其原因主要表現(xiàn)為：

1. 在試驗室完成型式試驗，測得相應的數(shù)據(jù)，在持續(xù)時間方面，雖然達到了穩(wěn)定溫升所需要的試驗時間，但現(xiàn)場環(huán)境復雜，加上試驗過程中，不具備溫升累積效應，不能等同現(xiàn)場長期運行并持續(xù)發(fā)熱的設備。

2. 不同金屬在膨脹效應方面存在差異。鋼制螺栓的金屬膨脹系要比銅質、鋁質母線的金屬膨脹系數(shù)小得多，對于螺栓型設備接頭來說表現(xiàn)得尤為突出，在實際運行過程中，隨著負荷電流、溫度的變化，在膨脹、收縮程度方面，由于鋁、銅與鐵之間存在一定的差異性，在一定程度上造成蠕變，也就是受應力作用的影響和制約，導致金屬緩慢發(fā)生塑性變形。實踐證明，當接頭處的運行溫度超過80℃時，因過熱使得接頭金屬發(fā)生膨脹，同時受各種因素的影響，進一步產生微小的空隙，早成氧化腐蝕。當負荷電流減小溫度降低回到原來接觸位置時，由于接觸面氧化膜的覆蓋，造成接觸電阻變大，每次溫度變化的循環(huán)都會使接頭的工作狀況進一步變壞，因而形成惡性循環(huán)。

3. 連接部位緊固螺栓壓力不合理。對于導體連接，在部分安裝、檢修人員意識中，在擰緊連接螺栓的過程中，認為螺栓擰得越緊越好，實際并非如此。由于鋁質母線的彈性系數(shù)較小，當螺母壓力達到臨界值時，如果材料強度比較差，當繼續(xù)增加壓力時，將會導致接觸面變形隆起，使得接觸面積進一步減少，使接觸電阻變大，進而影響導體的接觸效果。

4. 由于導體原材料純度不夠，造成導體材料電導率不滿足要求。

5. 其它因素，例如在加工、連接、安裝母線過程中，對母線接觸表面處理不到位、不夠平整，進而減少有效接觸面積，使接觸電阻變大而產生發(fā)熱。

以上的情況都會造成高壓開關柜的溫升異常，所以加強對運行開關設備溫升的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施就變得非常必要。

5 結束語

近幾年隨，著人們對供電質量要求逐漸提高，高壓開關柜作為配電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其本身的安全性、經濟性也受到了人們的重視。本文介紹的安科瑞無線測溫產品針對高壓開關柜內重要電氣節(jié)點的溫度進行監(jiān)測，防止在運行過程中因設備受環(huán)境污染，設備長期運行，嚴重超載運行，觸點氧化，接觸不良等原因造成接點接觸電阻過大而發(fā)熱成為隱患，提升設備安全保障。安科瑞智能操控區(qū)別于由幾個獨立的電子裝置分別實現(xiàn)帶來的集成度低，配線復雜，可靠性差的缺點，實現(xiàn)大大提高開關柜操控的集成度和智能化程度，對溫度進行在線監(jiān)測，通過溫升、突變、高溫和超溫等告警機制及時、持續(xù)、準確反映設備運行狀態(tài)，避免安全事故的發(fā)生，降低設備事故率。

參考文獻

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[4] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2020.1月版