開關柜監測發展現狀

康小平，胡元輝，林吉，鄭振華

(浙江寧波電業局，浙江 寧波 315010)

1 引言

開關柜是電力系統的關鍵主設備之一，其運行狀態對電力系統的可靠性具有重大影響。統計表明，20世紀90年代中國電力系統開關事故類型分布如下:機械故障(拒分、拒合、誤動)33.3%，絕緣故障37.3%，溫升故障(載流)8.9%，其他20.5%。因此，有必要對高壓開關柜的機械、溫升及絕緣狀態實施在線監測，及時發現事故隱患，防止事故發生［1］。

目前，開關設備的維修方式正向狀態維修方向發展，而在線監測、診斷技術則是狀態維修的重要依據，同時也是提高設備運行可靠性的基礎。

2 開關柜溫度監測方法

目前，傳統的測溫方式主要采用粘貼示溫臘片、紅外成像等，但為了保證高壓開關柜較高的防護等級要求，開關柜內部結構復雜，元件互相遮擋較多，有很多位置無法直接觀察到臘片熔化情況或者無法通過紅外熱像儀直接獲得相應的紅外圖譜，而且紅外儀成本較高，因此傳統的測溫方式對開關柜還存在較多盲點。針對人工巡檢的不足，各科研院所和生產廠家開發了一系列新型的高壓開關柜溫度監測裝置，在一定程度上克服了人工巡檢的弱點。如紅外探頭測溫、接觸式測溫紅外線傳輸、無線傳輸、光纖測溫等，幾種測溫原理的優劣比較如下。

2.1 紅外探頭測溫

采用紅外探頭測溫是在開關柜體上安裝若干紅外測溫探頭，通過接收電觸頭的紅外輻射來確定其溫度(如圖1所示)。但是此種方式容易受到開關柜內部元件對外紅外輻射光路遮擋的影響，不能準確得到觸頭溫度，雖然可以采取一定的校正，但紅外輻射的影響因素多具有事變性，無法一一校對，此外紅外測溫為非接觸式測溫，只能測設備表面的溫度，因而這種方式通用性較差，無法推廣使用［2］。

圖1 開關柜內CT上接頭鋁排發熱

2.2 接觸式測溫、紅外信號傳輸

采用傳統的接觸式溫度傳感器(熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等溫度傳感元件等)測溫，傳感器信號處理電路安裝在高壓母線上，電源通過感應線圈從高壓母線獲得。測量所得信號經數字編碼后驅動紅外發射管，由安裝于柜體低電位上的紅外接收管接收紅外信號，再通過解碼電路得到溫度數據。此種方式需要將溫度檢測器和獲取電源的感應線圈安裝于高壓母線上，這在空間狹小的開關柜內部安裝較為困難，同時有可能減小開關柜內部的絕緣凈距。

2.3 接觸式測溫、無線信號傳輸

同樣采用熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等溫度傳感元件實現測溫，傳感器需要通過高品質的電池供電，以實現與中間處理單元的無線數據傳輸，中間處理單元通過網絡方式，采用數據管理系統實現變電站數據分析及報警功能，由于采用電池供電，維護工作量較大，同時這種方式測試精度較低，抗電磁干擾性能較差。常見無線溫度傳感器節點如圖2所示。

圖2 無線溫度傳感器節點

2.4 光纖測溫

光纖測溫的關鍵部件是溫度傳感器，包括分布式光纖溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器等。光纖溫度傳感器是光纖傳感器中發展最快的一個分支，它取代傳統的溫度傳感器，如電阻應變片，與電阻應變片相比，光纖傳感器具有體積小、重量輕、不受電磁干擾、抗輻射、分布式測量等顯而易見的優勢，所以它特別適合在易燃、易爆和強電磁等特殊的場合應用。

3 開關柜局部放電監測方法

開關柜的可靠性的統計表明，電氣故障最通常的特征是在完全擊穿前發生局部放電。而開關柜內部由于制造時出現毛刺、安裝運輸時部件松動或接觸不良引起的電極電位浮動、運行中絕緣老化以及各種情況下可能出現金屬微粒等各種缺陷都可能導致不同程度的局部放電。長期的局部放電使絕緣劣化損傷并逐步擴大，進而造成整個絕緣擊穿或沿面閃絡，進而對設備的安全運行造成威脅，導致設備在運行時出現故障。

顯然，對開關柜進行局部放電檢測能夠有效地發現其內部早期的絕緣缺陷，以便采取措施，避免其進一步發展，提高開關柜的可靠性。局部放電檢測技術不僅可以彌補耐壓試驗的不足，而且通過局部放電在線監測能發現開關柜制造和安裝的“清潔度”，能發現絕緣制造工藝和安裝過程中的缺陷、差錯，并能確定故障位置，從而進行有效的處理，確保設備的安全運行。因此，對開關柜局部放電實施檢測具有十分重要的工程意義。

3.1 UHF局放監測

局部放電超高頻檢測技術是一種非接觸的檢測方法，依據“場”的原理，通過天線傳感器接收局部放電過程中輻射的超高頻電磁波，從而實現局部放電的檢測。

局部放電超高頻檢測技術是局部放電檢測的一種新方法，近年來在國內外得到了較快發展，并在電力設備如GIS、同步電機、變壓器、電纜等的檢測中得了應用。超高頻檢測技術具有檢測信號頻率高，外界干擾信號少等特點，因而檢測系統受外界干擾影響小，可以極大地提高電氣設備局部放電檢測，特別是在線檢測的可靠性和靈敏度［3］。

超高頻法用于高壓開關柜在線監測有明顯的優點，因此這一測量技術發展很快，已在英國和法國的幾個400kV變電站中取得經驗。德國一些大學對此技術很感興趣，對接受UHF信號的天線進行了理論分析和試驗研究。瑞士ABB高電壓技術公司在550kV的GIS試驗裝置中對UHF法的適用性與靈敏度進行了研究，并與常規的脈沖電流法作了對比。韓國已經形成了比較成熟的基于傳感器技術的高壓開關柜局放監測系統，應用400～800MHz頻率范圍的超高頻傳感器，對柜體內器件(如CT、PT)、母線連接處、支持絕緣子表面及開斷裝置進行了試驗驗證(如圖3所示)。各國的研究均表明，UHF法用于高壓開關柜絕緣的在線監測有很好的前景。

圖3 UHF局放監測硬件處理結構圖

3.2 地電波局放監測(TEV)

高壓電氣設備發生局部放電時，放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位，形成對地電流在設備表面金屬上傳播。對于內部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內表面，屏蔽連續時在設備外部無法檢測到放電信號，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續，局部放電的高頻信號會由此傳輸到設備屏蔽外殼。因此，局部放電產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳出，并沿著設備金屬箱體外表面繼續傳播，同時對地產生一定的暫態電壓脈沖信號，該現象由Dr.JohnReeves在1974年首先發現，并將其命名為暫態對地電壓(TEV)。

一般來說，單芯10kV電纜的阻抗約為10Ω，35kV的金屬外殼母線室的阻抗則約為70Ω，電纜或母線室發生局部放電產生持續10μs約100mA的弱電脈沖電流時，在金屬外殼上會出現1～7V的對地電壓。電壓、電流脈沖沿開關柜金屬外殼的內表面傳播，遇開口、接頭、蓋板等處的縫隙傳出設備，再沿著金屬外殼的外表面傳播至大地。目前TEV法檢測設備大都采用電容性探測器來檢測放電脈沖，其工作原理如圖4所示［4］。

圖4 TEV局放測量原理

3.3 紫外脈沖監測

該方法基于紫外脈沖檢測原理，通過結合工業內窺技術，針對高壓開關柜內開關的絕緣缺陷引起的紫外光，研制一種紫外脈沖檢測儀，并最終形成在線監測系統，對開關絕緣引起的光能進行測量，實現對開關絕緣缺陷的定量分析，另外將模糊集理論應用于高壓開關紫外輻射測量中，根據測量得到的設備紫外輻射值進行絕緣缺陷和負荷過大的定量區分，進行綜合模糊推理，形成一種絕緣狀態評估的新方法。監測分機主要由電源模塊，紫外傳感模塊，信號及數字處理模塊以及通信接口模塊組成，如圖5所示。

圖5 紫外監測系統構成

系統的核心為紫外傳感模塊，該模塊使紫外光經過后，轉換為光電流脈沖輸出，輸出的頻率和幅度與入射紫外光成正比。采用高靈敏度的日盲型紫外傳感器，工作在UV－C光譜段，避免附件光源對傳感器的干擾。采用特定紫外線傳感器，可利用太陽盲區，使儀器工作在特定波長之間，而對其他頻譜不敏感，去除太陽輻射的干擾。此外這種型號光敏管抑止背景噪聲的能力較好，長時間工作穩定性好，特別適合工作在高壓開關柜內部的工作環境。

4 總結

本文對多種開關柜監測方法進行了總結，并對各種技術的優缺點進行了分析，可為相關技術的研究人員和電網運行人員提供參考。

［1］ 宋昊，崔景春，袁大陸.2004年高壓開關設備運行統計分析［J］.電力設備，2006，7(2):10 －14.

［2］ 董興海.金屬封閉柜內帶電運行設備局部放電檢測研究［J］.云南電力技術，2006，34(4):25 －26.

［3］ 張艷，田競，葉逢春，等.紅外傳感器的高壓開關柜溫度實時監測網絡的研制［J］.高壓電器，2005，41(2):91 －94.

［4］ 任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態對地電壓法綜合檢測開關柜局部放電［J］.高電壓技術，2010，(10):2460 －2466.