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(cè)難題，并結(jié)合弧光防爆機(jī)制，防止事故擴(kuò)大。

溫升預(yù)警；弧光防爆；無線測(cè)溫

近年來，隨著電力負(fù)荷的高速增長，在電廠和變電站時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及發(fā)生故障時(shí)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(jī)制觀念，利用小巧的測(cè)溫終端和無線射頻技術(shù)對(duì)易發(fā)熱部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用弧光傳感器對(duì)連接點(diǎn)處弧光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，保證電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)（如高低壓電纜末端與斷路器、變壓器、電動(dòng)機(jī)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(dòng)、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(jìn)行人工巡查和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)溫升超過連接處材料的最大允許溫度值時(shí)，就會(huì)引起發(fā)熱故障，輕者引起開關(guān)柜動(dòng)作性能降低，重者將會(huì)引起設(shè)備嚴(yán)重?zé)龘p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(dǎo)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(shí)與流過載流體的電流密度、材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)、接觸面狀況等因素相關(guān)。當(dāng)開關(guān)設(shè)備通以正常工作電流時(shí)，由于電阻損耗、渦流損耗和磁滯損耗等，電能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽渲幸徊糠稚⑹У街車橘|(zhì)中去，另一部分加熱載流導(dǎo)體使其溫度升高[4]。負(fù)荷的投入與切除，造成連接點(diǎn)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(yùn)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(dāng)，導(dǎo)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(yùn)行中的開關(guān)柜，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到滿容量的70%時(shí)實(shí)際溫升水平已超過試驗(yàn)室測(cè)出的溫升數(shù)據(jù)[6]。因接觸不良導(dǎo)致連接處的溫度上升到一定程度時(shí)，設(shè)備絕緣便會(huì)急劇下降。當(dāng)溫度超過連接處絕緣材料的極限時(shí)，會(huì)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(bǔ)償熱損耗并維持適當(dāng)?shù)臏囟葪l件，電弧將會(huì)持續(xù)發(fā)生。發(fā)生弧光故障后，若沒有及時(shí)采取措施，弧光沖擊波以300m/s的速度爆發(fā)，在極短時(shí)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(shí)間長短成正比（見圖1）。因此弧光是導(dǎo)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(shí)具備溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與弧光保護(hù)功能的裝置，從根本上解決上述隱患。

圖1 故障與時(shí)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(cè)溫單元、弧光單元、電流單元三大部分組成。

無線測(cè)溫單元由無線溫度傳感器和無線信號(hào)接收單元組成。無線溫度傳感器由溫度檢測(cè)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(dòng)技術(shù)（自取電式）和低功耗CPU技術(shù)，每一個(gè)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(cè)溫度的各連接點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。溫度信號(hào)采用無線傳輸形式上傳至接收單元，并在裝置屏幕上實(shí)時(shí)顯示。一旦出現(xiàn)溫度異常情況，立刻上傳報(bào)警，通知維護(hù)人員及時(shí)排除隱患，把故障消除在萌芽狀態(tài)，達(dá)到防患于未燃的目的。為避免因無線信號(hào)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(hù)功能，確保裝置不會(huì)溫度突變誤動(dòng)作。

弧光保護(hù)單元中的弧光傳感器安裝于適當(dāng)?shù)奈恢茫」馓筋^正對(duì)各連接點(diǎn)，用于檢測(cè)電弧光信號(hào)。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(shí)，裝置誤動(dòng)作，弧光保護(hù)加入電流判據(jù)。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，因接地電流的大小取決于系統(tǒng)運(yùn)行方式，接地點(diǎn)阻抗等各種因素。采用“弧光+電流”保護(hù)判據(jù)時(shí)存在拒動(dòng)的可能性。裝置在弧光保護(hù)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(cè)設(shè)備運(yùn)行電流，并配置三段式過流保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)，另一方面與弧光保護(hù)配合，構(gòu)成弧光保護(hù)動(dòng)作雙判據(jù)。

5 產(chǎn)品特點(diǎn)及適用范圍

主要特點(diǎn)：①實(shí)時(shí)性：可以在線監(jiān)測(cè)溫度變化，無需人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；②安全性：無線傳輸，無連接導(dǎo)線，不用現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，安裝方便；③低功耗：無線傳感器，采用低功耗設(shè)計(jì)，可穩(wěn)定使用10年；④準(zhǔn)確性：金屬性外殼，快速反應(yīng)實(shí)際溫度，測(cè)量精度可達(dá)0.5℃；⑤經(jīng)濟(jì)性：溫升預(yù)警+弧光防爆雙重保護(hù)，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(cè)連接點(diǎn)處溫度的運(yùn)行情況，可實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，防止因接觸不良導(dǎo)致溫度上升，引發(fā)弧光故障，導(dǎo)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(yùn)行中高壓開關(guān)柜實(shí)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(yàn)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(xué)院學(xué)報(bào),2015,(1):45-50.

V351.31

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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(hù)。