溫升預(yù)警弧光防爆系統(tǒng)在開關(guān)柜中的應(yīng)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(yù)警弧光防爆系統(tǒng)在開關(guān)柜中的應(yīng)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(guān)柜溫升原因，提出利用無線射頻技術(shù)從根本上解決開關(guān)柜溫升的在線監(jiān)測難題，并結(jié)合弧光防爆機制，防止事故擴大。

溫升預(yù)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(fā)生因開關(guān)柜發(fā)熱造成火災(zāi)和大面積停電的事故。如何解決開關(guān)柜等電氣設(shè)備發(fā)熱的實時監(jiān)測及發(fā)生故障時的快速切除，是杜絕此類事故發(fā)生的關(guān)鍵。為此文章提出建立電力設(shè)備溫升預(yù)警與電弧光防爆相結(jié)合的機制觀念，利用小巧的測溫終端和無線射頻技術(shù)對易發(fā)熱部位進行實時監(jiān)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(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

1 開關(guān)柜溫升故障

發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜中，眾多高壓電氣設(shè)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(shè)備或線路連接處的電纜終端頭，開關(guān)柜內(nèi)動、靜觸頭等）是電能傳輸過程中的最薄弱環(huán)節(jié)。由于開關(guān)柜的特殊結(jié)構(gòu)，這些薄弱環(huán)節(jié)的溫度無法進行人工巡查和實時監(jiān)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(fā)熱故障，輕者引起開關(guān)柜動作性能降低，重者將會引起設(shè)備嚴重燒損事故[1]。如某220kV變電站主變低壓側(cè)開關(guān)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(fā)單相弧光接地[2]。某主變10kV開關(guān)柜因發(fā)熱引起開關(guān)柜爆炸[3]。

2 溫升故障原因

眾多事故表明電力設(shè)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(guān)設(shè)備的溫升取決于發(fā)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(jié)構(gòu)、接觸面狀況等因素相關(guān)。當開關(guān)設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，其中一部分散失到周圍介質(zhì)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(huán)：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(yù)警弧光防爆的必要性

數(shù)據(jù)表明，由于長期的累積效應(yīng)，運行中的開關(guān)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(shù)據(jù)[6]。因接觸不良導致連接處的溫度上升到一定程度時，設(shè)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(chǎn)生電弧放電現(xiàn)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?shù)臏囟葪l件，電弧將會持續(xù)發(fā)生。發(fā)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(fā)，在極短時間內(nèi)（100ms）產(chǎn)生很大的損壞，摧毀途中的任何物質(zhì)，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(shè)備損壞的能量來源。

基于上述原因，需研發(fā)出一套同時具備溫度實時監(jiān)測預(yù)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(yù)警弧光防爆裝置系統(tǒng)

溫度預(yù)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(jié)構(gòu)。采用低電流啟動技術(shù)（自取電式）和低功耗CPU技術(shù)，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(fā)送給無線接收單元。安裝于需監(jiān)測溫度的各連接點處，實現(xiàn)設(shè)備溫度的實時在線監(jiān)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(xiàn)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(tài)，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?shù)奈恢?，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(shè)備絕緣降低，引發(fā)電弧光故障，造成人身和設(shè)備傷害事故。為防止采用單弧光判據(jù)時，裝置誤動作，弧光保護加入電流判據(jù)。在中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，因接地電流的大小取決于系統(tǒng)運行方式，接地點阻抗等各種因素。采用“弧光+電流”保護判據(jù)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(jù)。

電流單元主要用于監(jiān)測設(shè)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(gòu)成弧光保護動作雙判據(jù)。

5 產(chǎn)品特點及適用范圍

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

[1]郭玉成,劉穎穎.35kV開關(guān)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(guān)柜燒毀事故分析[J].貴州電力技術(shù),2011, (10):29-31.

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

[4]賈一凡,王博,陸瑤,等.開關(guān)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(fā)熱的新材料[J].農(nóng)村電氣化,2006,(9):59-60.

[6]孫園,陳曉東,陳天翔.中壓開關(guān)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。