組合電器伴熱帶系統故障分析與改進

閆世軍，李 勇

(國網山西省電力公司檢修分公司，山西 太原 030000)

0 引言

2019-01-22，公司負責管轄的某變電站220 kV 組合電器斷路器氣室發生大規模氣室低氣壓報警及閉鎖事件。斷路器氣室以SF6氣體作為絕緣介質，該設備額定壓力為0.62 MPa，報警壓力為0.58 MPa，閉鎖壓力為0.55 MPa，斷路器運行時充氣壓力為0.63～0.65 MPa。發生故障時設備氣室壓力為0.57 MPa 左右，使用SF6檢漏儀進行檢漏，未發現漏氣點，設備密封良好。現場環境溫度低至-32 ℃以下，根據SF6氣體溫度壓力曲線判定設備氣室存在液化現象[1]。

1 故障情況

該變電站220 kV 組合電器為戶外式設備，在設計之初，為避免低溫環境下斷路器氣室由于液化現象導致報警及閉鎖事件發生，加裝了伴熱帶系統。該變電站220 kV 設備區組合電器共有15 個斷路器間隔安裝有伴熱帶，每個間隔有3 個氣室，每個氣室均安裝2 000 W 功率伴熱帶，其中上部伴熱帶功率為400 W，下部伴熱帶為1 600 W，如圖1 所示。

其中，上部400 W 伴熱帶由2 片200 W 電阻片組成，下部1 600 W 伴熱帶由2 片600 W 電阻片和4 片100 W 電阻片組成。

現場使用紅外成像儀對處于加熱運行狀態的伴熱帶測溫，發現220 kV 設備區組合電器所有間隔的下部伴熱帶均存在部分電阻片不加熱情況，即不能滿負荷(2 000 W)工作。紅外測溫圖可以直觀發現第3 間隔斷路器氣室下部伴熱帶的2 組600 W電阻片損壞、不能正常加熱，共計損失1 200 W 加熱功率。

圖1 伴熱帶實際安裝位置

現場隨機抽取兩個間隔的伴熱帶進行拆解檢查，打開伴熱帶鋼制外殼，發現伴熱帶內部進水嚴重，在低溫環境下已結成冰塊，保溫棉已吸水結冰，防水措施不合格。各個規格的硅橡膠電阻片(600 W電阻片、200 W 電阻片、100 W 電阻片)表面泛白，均出現不同程度的碳化、碎裂及電阻絲斷裂情況。

2 原因分析

斷路器伴熱帶出廠時間為2016 年8 月，投運時間為2017 年7 月，整個伴熱帶系統截至發現故障時，實際投運時間約為1.5 年，與10 年的質保時間相差甚遠，說明該系統設計不合理，不能滿足現場要求。

2.1 電阻片防水性能驗證

選取2 片已經碳化且實測電阻值無窮大的加熱電阻片放入水中，浸泡12 h 后剪開硅膠絕緣包封，發現里面沒有水漬，說明電阻片防水性能未被破壞。因此，伴熱帶進水不是電阻片損壞的主要因素。

2.2 電阻片表面溫度性能驗證

分別對3 種規格的硅橡膠電阻片(600 W 電阻片、200 W 電阻片、100 W 電阻片)進行通電，加熱半小時后，電阻片表面溫度穩定。具體測量結果如下：環境溫度為-4 ℃時，100 W 電阻片表面溫度為151 ℃，200 W 電阻片表面溫度為138 ℃，600 W 加熱器表面最高溫度為135 ℃。裸露在空氣中的電阻片溫升就高達135 K 至151 K，伴熱帶電阻片在封閉的腔體里面，加熱片表面溫度會達到160 ℃以上。

因此，伴熱帶電阻片投運時，功率密度較高，表面溫度很高，導致硅膠材料碳化，內部電阻絲匝間觸碰短路，導致局部電流過大，特別是下部伴熱帶功率過于集中，熱量太大，導致伴熱帶局部溫度過高，伴熱帶電阻片高溫碳化。

結合現場拆解情況還發現：溫控傳感器安裝在每個間隔B 相上部伴熱帶殼體內，在伴熱帶啟動時，傳感器位置與下部伴熱帶位置溫度相同。但伴熱帶投運一段時間后，由于下部1 600 W 伴熱帶功率較高，發熱量大，比傳感器位置伴熱帶溫升高達30K，下部伴熱帶實際退出運行時溫度會比傳感器位置伴熱帶實際退出運行時高達30 ℃。突測上部伴熱帶溫度為11.8 ℃時，下部伴熱帶溫度為44.3 ℃。

此外，該站伴熱帶系統還存在控制電源偷跳、溫控器失效及伴熱帶故障不報警等問題，遂對該伴熱系統進行重新設計與改進，以滿足現場需求。

3 改進型伴熱帶系統

3.1 伴熱帶系統設計

導熱是熱量傳輸的一種方式，指物體各部分無相對位移或者不同物體直接接觸，依靠物質分子、原子、自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現象。在實際的傳熱過程中很少有一種傳熱方式單獨存在，往往是兩種及其以上傳熱方式同時發生，而在某種條件下以某種傳熱方式為主。

在物體中有溫度差存在時，熱量將自動由高溫傳向低溫，物體相互間或者同一物體各部分之間存在溫度差是產生傳熱的必要條件。傳熱的熱流量基本公式(n層不同材料)：

公式(1)中的熱流量Q相當于電流I，溫度差對應于電位差，有溫度差就有熱量的傳遞。就像導線中有電流一樣，溫差是傳熱過程的推動力，在傳熱學中將溫差稱為溫壓，∑Rt=Rt1+Rt2+Rt3是三層平壁的總熱阻。這和電阻串聯的原理是一樣，在串聯電路里，總電阻為各串聯電阻之和，而熱流量Q通過三層平壁所遇到的總熱阻是三層熱阻之和[2]。增強和削弱傳熱的途徑：所謂增強傳熱，是提高換熱設備單位傳熱面積的傳熱量，即提高傳熱系數，減少傳熱熱阻。

本伴熱帶系統采用恒功率電阻加熱法，加熱電阻為單相并聯帶。電阻片電阻絲為鎳鉻合金絲和絕緣材料組成，鎳鉻合金絲具有較高的電阻率和耐熱性，可塑性強，絕緣材料采用耐高低溫、防腐、高絕緣、耐老化的硅橡膠。如圖2 所示，伴熱帶本體由原先的5 層結構(鋼制外殼、石英紙、電阻片、保溫棉、鋼制外殼)簡化為3 層結構(鋼制外殼、中間保溫層、電阻片)，電阻片直接貼敷在氣室罐體上，有效減少傳熱熱阻，提高加熱效率。

圖2 伴熱帶結構

最外層采用不銹鋼帶或搭扣緊固，只需800 W加熱功率就可以保證斷路器氣室不發生SF6氣體液化現象，其中上部伴熱帶功率為400 W，下部伴熱帶為400 W，合理分配伴熱帶功率密度，保證其運行在合理溫度范圍內。隨著結構的簡化，可以減少需做防水處理的密封面，降低了進水的風險。

3.2 伴熱帶控制系統

本伴熱帶控制系統通過控制伴熱帶供電電源的通與斷，實現對伴熱帶投運加熱與退投的控制，控制系統實時采集現場溫度，比較現場溫度與系統設定值，低于啟動設定值時啟動伴熱帶加熱，高于停止設定值時，伴熱帶停止加熱[3]。

本伴熱帶控制回路如圖3 所示，空開QF 同時控制加熱主回路跟溫控回路，空開QF 發生偷跳時，溫控器無電，溫控器常閉接點打開，給后臺發報警信號，變電站運維人員能夠迅速、及時發現故障，防止故障擴大[4]。WK 為溫度控制器，K1 為其常開接點，當環境溫度低于設定值時，K1 閉合，伴熱帶啟動加熱。S1 為手動按鈕，當系統出現故障時，可以手動使伴熱帶投運。伴熱帶檢測器用于檢測伴熱帶是否存在故障，若電阻片斷路情況嚴重時，提示需更換。

溫度控制器技術及工藝成熟，采用LD-WZ型智能溫控器，其控制芯片為單片機，可以自行選擇熱電偶1 或熱電偶2，采用PDI 升溫型控制策略，具有手動控制及自動功能，無須后備電源情況下，內部設定數據保存10 年以上。溫度傳感器采用熱敏電阻傳感器PT100，將其安裝在每個間隔控制終端盒上，可以有效感知環境溫度，保證上部伴熱帶與下部伴熱帶同時投入運行和退投，且在控制終端盒上設置了備用的一組熱敏電阻傳感器，一組故障時可以隨時切換，保證了系統穩定性。

圖3 伴熱帶控制回路

伴熱帶檢測器電氣原理如圖4 所示，電阻片電阻絲由于運行時間過長、溫度過高等原因會導致斷路現象，伴熱帶整體電阻會升高、電流下降，加熱功率下降，當下降到一定比例時，芯片TLP521 導通，G6K-2F 型繼電器觸點閉合，發出報警信號，提示更換伴熱帶電阻片。該檢測器采用數字量輸出型電子式電流互感器，相比于傳統電磁式電流互感器，電子式電流互感器具有更高的帶寬[5]，適用于諧波含量較大電流的基波測量，其數據傳輸抗干擾能力強，適用于變電站強電磁干擾環境中，且體積小、重量輕、測量準確度高。DC(直流) 24 V 由輔助電源模塊提供，采用TLP521 型光電耦合器件，減少變電站強電磁干擾。歐姆龍G6K-2F 繼電器提供輔助接點，用于給伴熱帶狀態指示燈及后臺信號提供接點。

4 現場測試

4.1 加熱性能測試

將原伴熱帶及改進型伴熱帶各選取一個間隔通電運行進行測試對比，將溫控器模式設定為手動模式，一直加熱6 h，選取上部伴熱帶、下部伴熱帶及斷路器氣室罐體中間位置共3 個點進行測溫，測試數據如表1 所示。

圖4 伴熱帶檢測回路

由測試數據可知：改進型伴熱帶由于采用直接貼敷方式，加熱效率快，中間保溫層有效阻隔熱量向外界空氣散發，上部伴熱帶與下部伴熱帶功率相同，功率密度相當。原伴熱帶鋼制外殼表面溫度較高，熱量散發較多，且下部伴熱帶功率密度過大，易造成電阻片碳化損壞。

表1 加熱性能測試數據

4.2 控制性能測試

改進型伴熱帶系統安裝完成后，將溫控器啟動溫度設定為零下10 ℃，停止溫度設定為0 ℃，連續一周不同時段觀察記錄15 個間隔斷路器氣室壓力值，無明顯變化趨勢，說明總功率為800 W 的伴熱帶系統能夠滿足現場需求。與原伴熱帶總功率1 600 W 相比，單臺斷路器就可以節省800 W 負荷，15 個間隔共45 臺斷路器氣室需要加熱。依據該變電站冬季實際運行工況知，冬季平均每天伴熱帶有效工作7 h，按2 個月算，共節省約15 120 kWh電能，可以有效利用能源，減少能源消耗量，節能效果明顯。

5 結束語

SF6封閉式組合電器設備存在諸多優點，在變電站中獲得廣泛應用。為了保障組合電器的安全、穩定運行，加裝了SF6壓力監測和伴熱帶加熱系統等輔助設施。在變電站組合電器運行期間，除了關注組合電器設備本體外，還應關注其輔助設施能否正常運行，避免出現故障事件。