一種高壓開(kāi)關(guān)柜在線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 潔

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司機(jī)電公司，陜西 延安 727307)

0 引言

陜西陜煤黃陵礦業(yè)地面供電系統(tǒng)主要承擔(dān)4個(gè)礦井生產(chǎn)和礦區(qū)生活用電的供電任務(wù)，處于高電壓和大電流狀態(tài)。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(kāi)關(guān)柜內(nèi)部螺絲、電纜頭等連接部位十分隱蔽；在運(yùn)行過(guò)程中，容易受到電、熱、機(jī)械、環(huán)境等各種因素影響，人工巡檢肉眼觀察無(wú)法辨別設(shè)備運(yùn)行的情況，有的地方無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)量，尤其是開(kāi)關(guān)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(yōu)點(diǎn)，但由于采用的是全封閉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致斷路器上下觸頭以及電纜接頭的接觸情況無(wú)法被直接觀察[1-3]。當(dāng)柜內(nèi)動(dòng)靜觸頭、電纜接頭等連接部分接觸不良，在運(yùn)行時(shí)有電流通過(guò)，會(huì)造成溫度升高，引起設(shè)備老化，絕緣下降，嚴(yán)重危害設(shè)備在運(yùn)行期間的可靠性與安全性，如果任由過(guò)熱問(wèn)題發(fā)展，會(huì)進(jìn)一步損害絕緣件的性能及設(shè)備壽命，嚴(yán)重時(shí)將造成短路故障，損壞設(shè)備，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生電氣火災(zāi)，中斷供電。

1 設(shè)備發(fā)熱原因及現(xiàn)有測(cè)溫系統(tǒng)

1.1 電力設(shè)備發(fā)熱原因分析

黃陵礦業(yè)公司機(jī)電公司每年都對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行春季預(yù)防性試驗(yàn)和秋季設(shè)備全面檢修工作，以及每月定期的設(shè)備檢修維護(hù)，但在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中造成設(shè)備接頭發(fā)熱引發(fā)電氣火災(zāi)，發(fā)現(xiàn)其原因并不是單一的。

機(jī)械強(qiáng)度下降：銅、鋁、螺栓、彈簧、彈墊會(huì)產(chǎn)生慢性退火變軟，喪失機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)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(shí)，“八度規(guī)則”經(jīng)驗(yàn)規(guī)律是較為有效的手段之一。當(dāng)溫度上升8 ℃時(shí)，壽命就會(huì)下降一半[4-6]。

諧波形成的影響：由于產(chǎn)生大量諧波的用電設(shè)備不斷增加，諧波會(huì)在并聯(lián)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(dǎo)線的集膚效應(yīng)加重，因此銅損急劇增加，非線性負(fù)荷的負(fù)荷電流可能增加到線性負(fù)荷的50%，使得導(dǎo)體發(fā)熱[7]。

現(xiàn)場(chǎng)其他因素：例如在檢修期間，如果檢修工藝使用不合理，也會(huì)影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行。這類問(wèn)題有母線在安裝與加工等過(guò)程中，對(duì)母線接觸表面的處理不合理，有不光滑、不平整等問(wèn)題的出現(xiàn)，從而造成有效接觸面積減少，接觸電阻增大而發(fā)熱。過(guò)負(fù)荷、短路引起溫升是比較常見(jiàn)的，但是其他原因則經(jīng)常被人們忽視。負(fù)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(shuō)，開(kāi)關(guān)的質(zhì)量再好，當(dāng)負(fù)荷容量達(dá)到相關(guān)的條件后，也會(huì)出現(xiàn)溫升超標(biāo)的情況；溫升的上升同樣也會(huì)受到接觸不良等問(wèn)題的影響。所以造成溫升問(wèn)題的因素有很多，不止負(fù)荷大一個(gè)原因。溫升所帶來(lái)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(shè)備的健康狀態(tài)也會(huì)受到溫度和絕緣的影響。所以在規(guī)避電氣事故發(fā)生時(shí)，溫升狀況的掌握是十分有效的[9]。

針對(duì)以上問(wèn)題，目前機(jī)電公司制定以下對(duì)策。比如在操作質(zhì)量上，加強(qiáng)值班員業(yè)務(wù)水平，提高倒閘操作質(zhì)量；要定期巡查，做好斷路器動(dòng)靜觸頭、刀閘觸指、觸頭分合等位置是否對(duì)應(yīng)等工作。以上措施雖能夠降低事故發(fā)生的幾率，但仍然無(wú)法在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患。

1.2 現(xiàn)有測(cè)溫系統(tǒng)

目前常用的測(cè)溫系統(tǒng)分為有源測(cè)溫和無(wú)源測(cè)溫，有源測(cè)溫有紅外線溫感系統(tǒng)和無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，無(wú)源測(cè)溫主要為光纖測(cè)溫系統(tǒng)。

紅外測(cè)溫儀：人工巡查測(cè)溫過(guò)程中，紅外測(cè)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(zhǔn)度不高，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果不是很理想，且一旦遇到遮擋物，紅外線便無(wú)法穿過(guò)，同時(shí)會(huì)受到周圍磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用范圍較低。由于開(kāi)關(guān)柜的空間有限，不適宜安裝紅外測(cè)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(huán)境的干擾，導(dǎo)致測(cè)溫的精度受到影響。

無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)：電池供電或CT取能是無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的傳感器電能的來(lái)源，測(cè)溫芯片在得到信號(hào)之后通過(guò)無(wú)線芯片發(fā)出，該方案在實(shí)際應(yīng)用中為有源方案，雖然可以滿足溫度信號(hào)的無(wú)線傳輸，但是在電能的來(lái)源為電池供電或者CT取能，存在需要定期對(duì)電池進(jìn)行更換的缺點(diǎn)。由于是電池供電，在夏季時(shí)隨溫度升高，電池對(duì)高溫的抵抗能力變差，從而會(huì)對(duì)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(wú)法取出等問(wèn)題，導(dǎo)致傳感器的工作停止；如果電流較大，這時(shí)極有可能造成傳感器被燒壞。CT取能的缺點(diǎn)是傳感頭的體積較大，取能效率會(huì)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(shù)選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)損壞傳感器部分的電路或讓傳感器無(wú)法工作，影響可靠性。

光纖測(cè)溫系統(tǒng)：這些年在國(guó)內(nèi)外高壓測(cè)量研究中，對(duì)光纖技術(shù)的研究與應(yīng)用比較廣泛，光纖技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，得到電量參數(shù)。光纖傳輸系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，主要是由于其具有耐腐蝕、絕緣強(qiáng)度高等特點(diǎn)，且體積較小，適應(yīng)于高電壓測(cè)量，所以有良好的應(yīng)用效果。光纖式溫度測(cè)溫主要的信號(hào)來(lái)源是光纖信號(hào)，在帶電物體的表面安裝溫度傳感頭，光纖是連接測(cè)溫儀與溫度傳感器的方式。分布式光纖測(cè)溫、熒光光纖測(cè)溫、光纖光柵等是光纖測(cè)溫的主要方式，其中優(yōu)勢(shì)最為明顯的是熒光光纖測(cè)溫，不僅便于安裝，而且使用壽命較長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)多路多點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)，尤其是在大規(guī)模的溫度點(diǎn)監(jiān)測(cè)中，適用效果更明顯。在測(cè)量期間精準(zhǔn)度與分辨率較高。傳感量檢測(cè)及傳輸均為光信號(hào)，不僅在不同的環(huán)境中有良好的適用性，還不會(huì)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(jiǎn)單；使用期間既無(wú)需電池或者交流取電，又不受現(xiàn)有環(huán)境限制，所以維護(hù)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可靠性高。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)方向

針對(duì)本單位目前電氣設(shè)備實(shí)際情況，所要采用的在線測(cè)溫系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的功能有：解決高壓開(kāi)關(guān)柜、變壓器等高壓設(shè)備精準(zhǔn)測(cè)溫問(wèn)題；解決測(cè)溫設(shè)備在高溫、高壓、高磁場(chǎng)中信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠問(wèn)題；解決礦區(qū)所有配電室與電力調(diào)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)與消防報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

2.2 光纖測(cè)溫系統(tǒng)

系統(tǒng)組成：主要由熒光光纖、光纖測(cè)溫儀、DTU(數(shù)據(jù)處理單元)、上位監(jiān)控機(jī)和人機(jī)交互軟件等部分組成。

系統(tǒng)原理：利用光纖傳感器采集被監(jiān)測(cè)部位的溫度信息，傳送給光纖測(cè)溫儀，通過(guò)光纖測(cè)溫儀將光信號(hào)解調(diào)為溫度數(shù)值，來(lái)監(jiān)測(cè)被監(jiān)測(cè)部位的溫度測(cè)量，測(cè)溫系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：長(zhǎng)期的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有良好的性能，主要表現(xiàn)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(zhì)，而聚四氟乙烯是尾纖護(hù)套的材質(zhì)的主要材料，這些物質(zhì)具有良好的耐老化與耐高溫等特質(zhì)，所以可以適用于高壓、高溫、強(qiáng)電磁等不同的環(huán)境。

熒光測(cè)溫的基本原理：當(dāng)受到外界光刺激后某些稀土物質(zhì)就會(huì)發(fā)光，若無(wú)來(lái)自外部的刺激，也會(huì)自主的持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間，而這個(gè)持續(xù)時(shí)間是和溫度相關(guān)的，通過(guò)測(cè)量熒光余暉的時(shí)間從而反演出溫度。

熒光測(cè)溫工作步驟：①光源發(fā)出一束光脈沖，通過(guò)耦合器調(diào)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(zhǎng)的光信號(hào)，該信號(hào)攜帶有被測(cè)點(diǎn)的溫度因子；③信號(hào)處理電路對(duì)該光信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算后得出被測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度。

2.3 安裝方案

在安裝過(guò)程中，可將光纖傳感器安裝在斷路器觸頭、母線連接處、開(kāi)關(guān)柜電纜倉(cāng)、變壓器線圈內(nèi)等關(guān)鍵部位。其接線簡(jiǎn)單、便利、美觀。

2.4 實(shí)施方案

將光纖測(cè)溫儀測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)接入該配電室的消防滅火裝置和DTU主機(jī)，消防滅火裝置通過(guò)和測(cè)溫儀的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滅火裝置自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)行電氣滅火，DTU通過(guò)4G通訊模塊將采集數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至電力調(diào)度系統(tǒng)及個(gè)人手機(jī)。同時(shí)，該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)具備上傳的溫度數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和歷史曲線查看，并具備高溫報(bào)警及溫升過(guò)快報(bào)警功能。開(kāi)關(guān)柜光纖測(cè)溫總體方案示意圖，如圖2所示。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦變電站對(duì)供電安全要求等級(jí)較高，隨著礦區(qū)變電站無(wú)人化建設(shè)的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了變電站高壓設(shè)備精準(zhǔn)測(cè)溫。調(diào)度中心通過(guò)測(cè)溫報(bào)告，可實(shí)時(shí)分析設(shè)備的生命周期，及時(shí)安排檢修計(jì)劃，降低設(shè)備故障率，有效保證了礦井生產(chǎn)和職工生活的用電安全。