安科瑞 陳聰

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

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；電氣接點(diǎn)；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(guān)柜的運(yùn)行壓力，隨著電網(wǎng)的改革與建設(shè)，高壓開關(guān)柜的數(shù)量越來越多，增加了故障的發(fā)生機(jī)率。高壓開關(guān)柜內(nèi)存在的電氣連接點(diǎn)主要包括母線銅排連接點(diǎn)，手車動靜觸頭連接點(diǎn)以及銅排和電纜連接點(diǎn)，在這些點(diǎn)位需安裝溫度傳感器進(jìn)行溫度測量。

溫度測量技術(shù)的選用：傳統(tǒng)的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)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(dǎo)線傳輸溫度信號。電氣設(shè)備測溫檢測，由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點(diǎn)/觸點(diǎn)上，其信號傳輸金屬導(dǎo)線的絕緣性能無法保證。 同時(shí)，對于改造類項(xiàng)目實(shí)施難度較大，因此推薦采用無線測溫方法進(jìn)行檢測。目前無線測溫方法包括電磁感應(yīng)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(zhǔn)發(fā)熱點(diǎn)，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(yīng)供電無線測溫具有測溫速度快、周期短、免維護(hù)、使用壽命長、故障率低等特點(diǎn)。

無線傳輸技術(shù)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(jìn)行信息交換的一種通信方式，其中應(yīng)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(shù)、藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、工業(yè)無線技術(shù)( WiFi)、超寬帶技術(shù)(UWB)、近場通信技術(shù) (NFC)。藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術(shù)，傳輸距離10m范圍以內(nèi)，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(shù) (UWB)傳輸速率一般結(jié)余 53 ~ 480 Mb / s 傳輸距離小于40 m；近場通信技術(shù)(NFC)適用于近距離貼近操作。Sub-1G技術(shù)的主要特征包括：傳輸速率較低;通信距離較長；設(shè)備功耗很低，發(fā)射輸出僅為10dBm；通信組網(wǎng)簡潔。這些主要特征使Sub-1G 通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

2 產(chǎn)品方案

某風(fēng)電場項(xiàng)目的對傳感器要求如下：

1）非電池供電（采用感應(yīng)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(yīng)達(dá)到可能影響開關(guān)柜一次設(shè)備絕緣及被測點(diǎn)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(shí)，無線溫度傳感器表面溫升不應(yīng)超過10 K。

11）傳輸距離：空曠距離不大于150米。

該項(xiàng)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(guān)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(yīng)探頭；

4）加熱器斷線報(bào)警；

5）柜內(nèi)照明操作；

6）（除PT柜外）分合閘、儲能、遠(yuǎn)方/就地開關(guān)；

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(yīng)滿足交直流通用，支持AC/DC110、AC/DC220V自適應(yīng)；

10）高壓斷路器觸頭6點(diǎn)測溫

根據(jù)上述要求，故此選擇安科瑞的無線測溫產(chǎn)品如下表。

3 項(xiàng)目現(xiàn)場應(yīng)用

某風(fēng)電場項(xiàng)目，對高壓柜開關(guān)柜進(jìn)行綜合監(jiān)控，并對斷路器的觸頭進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)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(dá)116.8℃，智能操控裝置及時(shí)進(jìn)行了語音告警，并對該超溫告警進(jìn)行事件記錄。同時(shí)，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?yàn)閿嗦菲饔|頭接觸不良。由于安科瑞的操控測溫裝置的及時(shí)告警，幫助現(xiàn)場及時(shí)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(guān)柜溫升原因分析

目前，電力系統(tǒng)內(nèi)部使用的開關(guān)柜，都要通過型式試驗(yàn)對入網(wǎng)的開關(guān)柜進(jìn)行處理，在溫升方面，要求比較嚴(yán)格。根據(jù)相關(guān)理論進(jìn)行分析可知，在實(shí)際運(yùn)行過程中，通常情況下，負(fù)荷不會達(dá)到開關(guān)柜的設(shè)計(jì)滿容量，更不會引發(fā)開關(guān)柜的溫升問題。但是，實(shí)際情況并非如此。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，隨著負(fù)荷的不斷增加，使得開關(guān)柜的溫升迅速增加。當(dāng)負(fù)荷超過開關(guān)額定電流的75%時(shí)，在這種情況下，溫升尤為明顯，此時(shí)早已不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)負(fù)荷比較低時(shí)，溫升現(xiàn)象不明顯。在實(shí)際運(yùn)行中，與試驗(yàn)室測出的溫升數(shù)據(jù)相比，開關(guān)柜實(shí)際溫升水平普遍比較高，并且多數(shù)情況下，當(dāng)溫升超標(biāo)時(shí)，開關(guān)柜甚至遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)滿容量。對于高壓開關(guān)柜來說，開關(guān)觸頭、母排連接點(diǎn)的實(shí)際溫升，通常情況下總是高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其原因主要表現(xiàn)為：

1. 在試驗(yàn)室完成型式試驗(yàn)，測得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在持續(xù)時(shí)間方面，雖然達(dá)到了穩(wěn)定溫升所需要的試驗(yàn)時(shí)間，但現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，加上試驗(yàn)過程中，不具備溫升累積效應(yīng)，不能等同現(xiàn)場長期運(yùn)行并持續(xù)發(fā)熱的設(shè)備。

2. 不同金屬在膨脹效應(yīng)方面存在差異。鋼制螺栓的金屬膨脹系要比銅質(zhì)、鋁質(zhì)母線的金屬膨脹系數(shù)小得多，對于螺栓型設(shè)備接頭來說表現(xiàn)得尤為突出，在實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著負(fù)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(yīng)力作用的影響和制約，導(dǎo)致金屬緩慢發(fā)生塑性變形。實(shí)踐證明，當(dāng)接頭處的運(yùn)行溫度超過80℃時(shí)，因過熱使得接頭金屬發(fā)生膨脹，同時(shí)受各種因素的影響，進(jìn)一步產(chǎn)生微小的空隙，早成氧化腐蝕。當(dāng)負(fù)荷電流減小溫度降低回到原來接觸位置時(shí)，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(jìn)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(dǎo)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(rèn)為螺栓擰得越緊越好，實(shí)際并非如此。由于鋁質(zhì)母線的彈性系數(shù)較小，當(dāng)螺母壓力達(dá)到臨界值時(shí)，如果材料強(qiáng)度比較差，當(dāng)繼續(xù)增加壓力時(shí)，將會導(dǎo)致接觸面變形隆起，使得接觸面積進(jìn)一步減少，使接觸電阻變大，進(jìn)而影響導(dǎo)體的接觸效果。

4. 由于導(dǎo)體原材料純度不夠，造成導(dǎo)體材料電導(dǎo)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(jìn)而減少有效接觸面積，使接觸電阻變大而產(chǎn)生發(fā)熱。

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

5 結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

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[4] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運(yùn)維解決方案.2020.1月版