封閉式高壓柜內(nèi)接頭發(fā)熱事故的分析及預(yù)防措施

[摘要]文章通過對封閉式高壓柜的運(yùn)行現(xiàn)狀與接頭發(fā)熱事故的分析，指出造成此類事故的主要原因，并對預(yù)防此類事故的方法進(jìn)行初步的研究、分析，最后指出可行、實(shí)用的高壓柜內(nèi)接頭溫度實(shí)時監(jiān)視方法。該方法在電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用具有一定的意義。

[關(guān)鍵詞]封閉式高壓柜；接頭發(fā)熱；事故分析；實(shí)時監(jiān)測

[作者簡介]何志輝，廣東電網(wǎng)公司茂名高州供電局助理工程師，研究方向：變電繼保、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電所人員及線路設(shè)備等管理，廣東高州，525200

[中圖分類號]TM81 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1007—7723(2008)12—0034—0003

一、引言

運(yùn)行中的電力發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜是重要的電器設(shè)備。而這些開關(guān)柜主要維護(hù)部位就是觸頭部位，如觸頭松動、彈性老化、接觸面不潔等，都會引起觸頭溫度的異常變化。以往由于沒有可靠的手段在線檢測觸頭運(yùn)行溫度，往往采用“計(jì)劃維修”，因此極易導(dǎo)致設(shè)備燒毀或突然停電等事故，在一定程度上影響了企業(yè)的效益。

而電力設(shè)備經(jīng)常發(fā)生接頭發(fā)熱現(xiàn)象，如不及時發(fā)現(xiàn)并處理就會導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。近幾年電力生產(chǎn)中廣泛運(yùn)用各種先進(jìn)的溫度測試設(shè)備，如：紅外熱成像儀、光纖光柵測溫紅外線點(diǎn)溫儀等，取得了很好的效果，電力設(shè)備接頭的溫度得到了有效監(jiān)視，接頭發(fā)熱事故大大減少。

封閉式高壓柜在運(yùn)行中不能打開，因此無法測量運(yùn)行中柜內(nèi)接頭的實(shí)際溫度。密封式開關(guān)柜內(nèi)接頭發(fā)熱事故在近幾年有增長的趨勢，已經(jīng)成為嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)的難題。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)接頭發(fā)熱事故主要發(fā)生在負(fù)荷較重的10kV小車式封閉開關(guān)柜內(nèi)，下面以10kV金屬鎧裝抽出式開關(guān)柜為對象對此類事故原因進(jìn)行分析。

二、10kV封閉式開關(guān)柜概況

(一)10kV封閉式開關(guān)柜的應(yīng)用概況

封閉式高壓開關(guān)柜以其安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、占地省、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在開閉站、小區(qū)配電室、變電站內(nèi)廣泛使用。在高州供電局變電管理屬的變電站內(nèi)的10kV密封式高壓開關(guān)柜約有200臺，分布在高州地區(qū)14座變電站內(nèi)。目前使用中的10kV開關(guān)柜主要存在設(shè)備型號多樣、質(zhì)量參差不齊、備品備件不全、部分設(shè)備嚴(yán)重老化等問題。

(二)封閉式開關(guān)柜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

封閉式高壓開關(guān)柜的設(shè)備分布在4個相互獨(dú)立的隔室內(nèi)，分別是斷路器室、母線室、電纜室、控制室。按有關(guān)的規(guī)程要求，除實(shí)現(xiàn)電氣連接、控制、通風(fēng)而必須在隔板上開孔外，所有隔室呈封閉狀態(tài)。由于發(fā)熱點(diǎn)在密封柜內(nèi)，運(yùn)行中的柜門禁止打開，值班人員無法通過正常的手段檢測到開關(guān)內(nèi)部特別是觸頭的溫度，所以一旦觸頭發(fā)熱嚴(yán)重必然造成事故發(fā)生，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

(三)高州供電局封閉式高壓開關(guān)柜接頭事故統(tǒng)計(jì)

封閉式高壓柜內(nèi)接頭發(fā)熱事故在近幾年屢有發(fā)生。10kV開關(guān)直接承擔(dān)用戶負(fù)荷，其中不少是重要負(fù)荷，如果發(fā)生突然停電事故，不但會造成不良的社會影響，而且給供電部門造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

2007年12月，1IOKV長坡站10kV長坡線開關(guān)因觸頭發(fā)熱故障減負(fù)荷。

2008年3月，110KV石龍站10kV大坡F13開關(guān)因觸頭發(fā)熱故障減負(fù)荷。

2008年4月，110KV古丁站10kV墟鎮(zhèn)線開關(guān)觸頭發(fā)熱嚴(yán)重?zé)龤А?/p>

2008年6月，35KV云潭站10kV墟鎮(zhèn)線開關(guān)觸頭發(fā)熱嚴(yán)重?zé)龤А?/p>

三、事故原因分析

事故分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生事故的原因主要有：檢修試驗(yàn)人員工作失誤、設(shè)備安裝連接工藝不當(dāng)、負(fù)荷變化、設(shè)備老化變形等。

(一)觸頭接觸面氧化、臟污

高壓開關(guān)柜的動靜觸頭是最容易發(fā)熱的部位，由于該部位接觸不良、臟污等原因，接觸電阻較大，在大電流情況下該處的熱功率很大，其結(jié)果是接頭發(fā)熱嚴(yán)重，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，發(fā)展到一定階段后，則會造成嚴(yán)重的故障，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(二)設(shè)備的安裝、連接工藝不當(dāng)

設(shè)備的安裝工藝不當(dāng)主要是施工質(zhì)量問題，封閉式高壓柜內(nèi)小車式開關(guān)插嘴的位置與固定的插頭位置如有偏差，開關(guān)推入后插頭部分就可能接觸不實(shí)，造成發(fā)熱。這是施工安裝時的問題，需要運(yùn)行人員在設(shè)備驗(yàn)收時把好關(guān)。另一個連接工藝問題出在出線電纜與開關(guān)引出線的連接處。10kV連接開關(guān)的引線一般使用40mm寬鋁排，旁路刀閘一般安裝在鋁排上，出線電纜也在這一位置。10kV電纜較粗，通常只使用1根螺栓來連接運(yùn)行與備用2條電纜，連接的受力面較小，電流通過的有效截面減小，于是造成發(fā)熱。

(三)負(fù)荷的影響

電力負(fù)荷的變化會影響設(shè)備的溫度，正常的負(fù)荷變化引起的溫度升高不會超過規(guī)定的75℃。如果負(fù)荷增加得較多時(如比平時增加了1倍或幾倍)，或者線路受到短路電流沖擊后，設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)就會發(fā)熱，如觸頭部位。發(fā)熱后連接點(diǎn)的材料會發(fā)生變形、氧化等物理或化學(xué)變化，導(dǎo)致觸頭的彈性老化、接觸不良，從而使觸頭材料的機(jī)械強(qiáng)度、物理性能下降。發(fā)熱后如不及時發(fā)現(xiàn)，再次受負(fù)荷沖擊后，又會過熱，經(jīng)過多次反復(fù)的惡性循環(huán)，接頭的連接狀況越來越差，最后直至造成接頭熔斷事故。

(四)設(shè)備的質(zhì)量存在問題，觸頭容量不足，導(dǎo)致發(fā)熱

當(dāng)設(shè)備的制作、裝配存在問題，觸頭容量不足或接觸不良時，該處局部溫度升高，嚴(yán)重時燒斷該處觸頭，引起停電事故。

(五)檢修試驗(yàn)人員工作失誤

檢修人員進(jìn)行開關(guān)檢修或試驗(yàn)時必須拆開部分連接點(diǎn)，工作結(jié)束時再恢復(fù)原樣。由于工作人員失誤，本來應(yīng)該安裝4根緊固螺栓的接頭，只裝了3根甚至只裝了1根。線路負(fù)荷較小時這樣的隱患不會被立即發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷突增時該接頭就會過熱。這樣的情況一般出現(xiàn)在電流互感器的連接點(diǎn)。事故的主要原因是檢修人員的工作態(tài)度與責(zé)任心的問題，此類事故近幾年隨著檢修工作責(zé)任制的推行已經(jīng)大大減少。

(六)電力諧波存在

系統(tǒng)中變頻器的大量使用，使系統(tǒng)諧波增加，由于導(dǎo)體的集膚效應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱，特別是觸頭更為嚴(yán)重。

(七)環(huán)境溫度較高，防護(hù)等級因素造成的散熱不暢

為防止人體接近高壓開關(guān)柜的高壓帶電部分和觸及運(yùn)動部分，以及克服敞開式開關(guān)柜容易進(jìn)入異物引起設(shè)備短路的缺點(diǎn)廠家一般都是根據(jù)國標(biāo)DL／T404-1997《戶內(nèi)交流高壓開關(guān)柜訂貨技術(shù)條件》652中對防護(hù)等級分類規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。以廣東省為例：夏季室外溫度一般在28℃～35℃之間，一些地方時有超過40％的氣溫出現(xiàn)，加上設(shè)備本身散發(fā)的熱量，室內(nèi)無通風(fēng)設(shè)施，室內(nèi)環(huán)境溫度過高，造成開關(guān)柜內(nèi)熱量無法散去。使觸頭發(fā)熱越來越嚴(yán)重。

四、預(yù)防接頭發(fā)熱事故的措施及方法

密封高壓開關(guān)柜內(nèi)的接頭發(fā)熱是生產(chǎn)中的難題，通過采取各種措施，如：實(shí)行檢修人員責(zé)任制，更新老舊設(shè)備，改進(jìn)接頭的連接、安裝工藝等，可以大大減少接頭發(fā)熱事故，但是從目前的設(shè)備狀況看要想完全避免接頭發(fā)熱事故也是不現(xiàn)實(shí)的。于是希望通過監(jiān)視的方法，提前發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備接頭發(fā)熱的跡象，以便采取措施，防止出現(xiàn)惡性事故。

(一)目前經(jīng)常使用的柜內(nèi)接頭溫度監(jiān)視方法

但由于許多母線以及開關(guān)處于高電位，目前國內(nèi)專門用于高壓母線、高壓開關(guān)及觸點(diǎn)發(fā)熱測量的儀器還很少。溫度監(jiān)測的方法有： 1 在高壓涂發(fā)光材料

這是在高壓電接觸表面涂一層顏色隨溫度變化的發(fā)光材料，通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍，這種方法準(zhǔn)確度低、可靠性差，不能進(jìn)行定量測量。

2 在接頭粘貼測溫蠟片

粘貼測溫蠟片是室外接頭常用的測溫法，用在封閉柜內(nèi)有很大局限性，大部分接頭通過柜門的觀察窗看不到，只能在開關(guān)停電檢修時檢查接頭有無過熱情況，對預(yù)防事故作用不大。

3 手摸柜門感知柜內(nèi)溫度

手摸柜門的方法可大概判斷溫度有無異常，在110kV高州變電站和110kV紅花變電站曾通過此方法發(fā)現(xiàn)2起嚴(yán)重的接頭發(fā)熱故障；但是這種方法具有很大的隨意性與偶然性，而且由于個人感覺的差異，相同情況也會有不同判斷。

4 通過異常氣味發(fā)現(xiàn)設(shè)備過熱

當(dāng)有過熱的接頭時，一定會有異常氣味或者異常聲音，特別是連接電流互感器的接頭發(fā)熱時，可以發(fā)出強(qiáng)烈的異常氣味，工作人員可根據(jù)氣味的來源作出進(jìn)一步的判斷。

5 利用輻射特性的紅外熱像儀

另外一種方法是利用輻射特性的紅外熱像儀，準(zhǔn)確度較高，但由于需要光學(xué)器件，在高壓開關(guān)柜等特定場合使用不太方便，而且價格較高，推廣應(yīng)用有一定困難。

以上幾種方法可以大概判斷開關(guān)柜內(nèi)有無接頭發(fā)熱故障，但是不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)，對無人值班的變電站、開閉站無實(shí)用價值。更重要的是以上方式都需要人工進(jìn)行巡查，不能實(shí)時得到溫度數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)是滯后的，無法在第一時間判斷開關(guān)柜內(nèi)有無觸頭發(fā)熱故障，起不到溫度實(shí)時報警功能。而有線通訊方式的電子儀表不符合電力高壓環(huán)境測量儀表規(guī)范。因此應(yīng)尋找一種更科學(xué)的方法。

(二)預(yù)防封閉柜內(nèi)接頭發(fā)熱事故的新方法

長期以來，高壓開關(guān)柜內(nèi)觸頭運(yùn)行溫度很難監(jiān)測，無法進(jìn)行人工巡查測溫。這是因?yàn)楣駜?nèi)具有裸露高壓，且空間狹小，通常的溫度測量方法不能使用。因此，實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測是保證高壓開關(guān)柜安全運(yùn)行的重要手段。

最初試驗(yàn)選擇的是直接監(jiān)測法，在接頭上安裝溫度傳感器，將溫度信號集中處理，判斷接頭溫度是否超過允許值。其技術(shù)難點(diǎn)是溫度傳感器的安裝，溫度信號由傳感器到處理機(jī)的傳送。要求溫度傳感器直接安裝在10kV電壓的接頭上，其體積有嚴(yán)格限制，不能影響開關(guān)的絕緣與正常運(yùn)行。信號傳送使用有線方式是絕對不允許的，通過無線發(fā)射存在強(qiáng)電場磁場干擾與發(fā)射裝置電源不易解決的問題。

隨后又進(jìn)行了間接監(jiān)測的研究與試驗(yàn)。主要方案是在接頭位置涂一種特種涂料，使其在規(guī)定溫度時發(fā)出特定氣體，在柜頂部安裝特定氣體的傳感器，當(dāng)氣體濃度達(dá)到一定值時發(fā)出報警信號。這一方法的技術(shù)難點(diǎn)之一是氣體的選擇，該氣體要求在空氣中含量少，不受被測物溫升后揮發(fā)氣體干擾，對此氣體檢測最好使用成熟的傳感器。難點(diǎn)之二是發(fā)出氣體的涂料的穩(wěn)定性，要保證在室溫中長期存放不揮發(fā)。選用氫氣與一氧化碳進(jìn)行了試驗(yàn)。由于受氣體濃度限制，要求傳感器靈敏度較高(帶來干擾信號太多的問題)。此方案雖然有所突破，但由于其成本太高，不易在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用而最終被否定。

接著受手摸感知法的啟發(fā)，決定通過監(jiān)視開關(guān)柜內(nèi)空氣溫度的方法來判斷有無接頭發(fā)熱故障。總體方案是在每臺開關(guān)柜頂?shù)呐艢饪咨习惭b一個溫度傳感器，如果空氣溫度達(dá)到規(guī)定值即發(fā)出報警信號；或是柜內(nèi)空氣溫度與環(huán)境溫度差值到規(guī)定值時即報警。具體溫度報警定值要通過試驗(yàn)的方法確定。我們先將傳感器的溫度信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)作記錄，然后將開關(guān)的負(fù)荷數(shù)據(jù)(變電站內(nèi)的監(jiān)控機(jī)實(shí)測信息)也存入同一臺計(jì)算機(jī)，通過對比分析，確定開關(guān)負(fù)荷與溫度的關(guān)系曲線，根據(jù)溫度曲線確定其報警溫度值。報警信號由計(jì)算機(jī)發(fā)出，直接送到控制室?？刂剖覂?nèi)的值班員也可以通過計(jì)算機(jī)隨時查詢開關(guān)柜內(nèi)的實(shí)時溫度值。對于無人值班變電站，可以將過熱信號作為一個遙測量通過RTu直接送到監(jiān)控中心。這一測溫方法溫度傳感器安裝方便簡單、運(yùn)行可靠、投入較小，技術(shù)成熟后可在變電站內(nèi)大量應(yīng)用。

最后利用光纖光柵測溫系統(tǒng)。光纖光柵測溫系統(tǒng)由光纖光柵溫度傳感器、單模光纜(用于遠(yuǎn)距離信號傳輸)、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀及計(jì)算機(jī)等終端監(jiān)測設(shè)備組成。系統(tǒng)工作時，光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部光源發(fā)出連續(xù)的寬帶光，經(jīng)光纜傳輸?shù)奖O(jiān)測現(xiàn)場布設(shè)的光纖光柵溫度傳感器。這些傳感器內(nèi)部的測量敏感元件——光纖光柵對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光，經(jīng)同一傳輸光纜返回到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部探測器來測定出各個傳感器所返回的不同窄帶光的中心波長，從而解析出各監(jiān)測點(diǎn)的溫度值。由于多個傳感器所返回的窄帶光信號中心波長范圍不同，所以可以將這些傳感器串接組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時測量，大大簡化了傳感器及引出線的布設(shè)，避免了以往逐點(diǎn)測量的不便。光纖光柵信號處理器采用國際最先進(jìn)的數(shù)字化解調(diào)技術(shù)，具有大容量實(shí)時在線信號采集處理和自檢功能；監(jiān)控計(jì)算機(jī)用戶組態(tài)畫面，可生動地顯示傳感器運(yùn)行狀況；系統(tǒng)可以綜合各種安全監(jiān)控參數(shù)，進(jìn)行分析，有利于及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭，及時安全控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和安全的雙重監(jiān)控功能。監(jiān)控計(jì)算機(jī)上的組態(tài)軟件，在線顯示開關(guān)柜觸頭溫度變化并進(jìn)行聲光報警，因此從根本上解決了高壓開關(guān)柜內(nèi)觸頭運(yùn)行溫度及柜內(nèi)環(huán)境溫度不易監(jiān)測的難題。

五、結(jié)語

實(shí)時監(jiān)視開關(guān)柜內(nèi)接頭溫度從目前的生產(chǎn)形勢來看還是必要的?？偨Y(jié)以上分析看出，通過光纖光柵溫度在線檢測，可以解決高壓開關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)運(yùn)行溫度及柜內(nèi)環(huán)境溫度不易監(jiān)測的難題，可有效預(yù)防封閉式開關(guān)柜觸頭發(fā)熱事故的發(fā)生。通過監(jiān)視柜內(nèi)空氣溫度來間接監(jiān)視柜內(nèi)接頭的運(yùn)行狀況是可行的，完全可以起到預(yù)防接頭事故的目的。