技术文章

安科瑞刘秋霞

摘 要：作为保证系统安全运行的重要设备的高压开关柜装置,其内部导电连接处过热会导致电气设备的损坏,更严重的是可能还会发生火灾等严重事故。因此,电力系统中电器设备安全运行的一个重要课题就是对高压开关柜实施在线监测。本文主要研究的是针对高压开关柜接点的无线测温技术,阐述了高压开关柜在无线测温的技术特点及工作原理，具有测量数据准确、可靠性高、绝缘性能好的特点,能很好的适应现场需求,可以在高压开关柜中广泛应用。同时介绍了在某风电场项目应用操控及无线测温技术，并实现及时告警避免了严重事故的发生。 

关键词：高压开关柜；电气接点；无线测温

1 概述

我国电力系统的大规模发展，增加了高压开关柜的运行压力，随着电网的改革与建设，高压开关柜的数量越来越多，增加了故障的发生机率。高压开关柜内存在的电气连接点主要包括母线铜排连接点，手车动静触头连接点以及铜排和电缆连接点，在这些点位需安装温度传感器进行温度测量。

温度测量技术的选用：传统的测温方法包括通过热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温，温度传感器与测温仪之间采用金属导线传输温度信号。电气设备测温检测，由于温度传感器直接安装于高压接点/触点上，其信号传输金属导线的绝缘性能无法保证。 同时，对于改造类项目实施难度较大，因此推荐采用无线测温方法进行检测。目前无线测温方法包括电磁感应供电无线测温、电池供电无线测温方式及红外在线测温方式。红外测温需要镜头对准发热点，尘土震动对其影响较大；有源无源测温较合适，无需布线，易于安装，但有源测温需要外供电池，受电池寿命影响，需要更换；电磁感应供电无线测温具有测温速度快、周期短、免维护、使用寿命长、故障率低等特点。

无线传输技术选用：无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，其中应用较为广泛及具有较好发展前景的短距离无线通信方式包括：Sub-1G技术、蓝牙技术(Bluetooth)、工业无线技术( WiFi)、超宽带技术(UWB)、近场通信技术 (NFC)。蓝牙技术(Bluetooth)属于一种超短距离的无线传输技术，传输距离10m范围以内，至高传输速率约1 Mb / s，其有效速率约为 723 kb / s；超宽带技术 (UWB)传输速率一般结余 53 ~ 480 Mb / s 传输距离小于40 m；近场通信技术(NFC)适用于近距离贴近操作。Sub-1G技术的主要特征包括：传输速率较低;通信距离较长；设备功耗很低，发射输出仅为10dBm；通信组网简洁。这些主要特征使Sub-1G 通信技术传输数据稳定可靠。

2 产品方案

某风电场项目的对传感器要求如下：

1）非电池供电（采用感应取电方式供电）的无线温度传感器

2）无线频率：470MHz；

3）启动电流：≥5A； 

4）测温范围：-50 ℃～+125 ℃；

5）采样频率：15s；

6）发射频率：15s；

7）精    度：±1℃；

8）工作温度：-40 ℃～+85 ℃；

9）至大工作电流：一次额定电流 5000 A；

10）温升要求：在额定工作条件下，装置不应达到可能影响开关柜一次设备绝缘及被测点正常工作的温度，装置的电流互感器线圈通过1250 A，30 min，环境温度为20 ℃时，无线温度传感器表面温升不应超过10 K。

11）传输距离：空旷距离不大于150米。

该项目的对智能操控及无线测温一体装置要求如下：

1）一次动态模拟图，断路器分合位置动态显示；接地开关位置动态显示；弹簧储能动态显示；

2）两路温湿度控制器功能，通讯线长4米6米，液晶显示；

3）语音防误提示功能，人体红外感应探头；

4）加热器断线报警；

5）柜内照明操作；

6）（除PT柜外）分合闸、储能、远方/就地开关；

7）高压带电显示和闭锁装置；

8）RS485通讯功能，Modbus 通讯协议；

9）装置工作电源应满足交直流通用，支持AC/DC110、AC/DC220V自适应；

10）高压断路器触头6点测温

根据上述要求，故此选择安科瑞的无线测温产品如下表。

3 项目现场应用

某风电场项目，对高压柜开关柜进行综合监控，并对断路器的触头进行温度实时监测。在监测过程中，一台高压柜断路器的下触头的C相电流温度高达116.8℃，智能操控装置及时进行了语音告警，并对该超温告警进行事件记录。同时，工作人员断开高压柜断路器，推出动触头后发现该相触头有损坏，事故原因为断路器触头接触不良。由于安科瑞的操控测温装置的及时告警，帮助现场及时排查问题避免了事故发生。

装置告警界面图

现场断路器事故图片

4 开关柜温升原因分析

目前，电力系统内部使用的开关柜，都要通过型式试验对入网的开关柜进行处理，在温升方面，要求比较严格。根据相关理论进行分析可知，在实际运行过程中，通常情况下，负荷不会达到开关柜的设计满容量，更不会引发开关柜的温升问题。但是，实际情况并非如此。根据实际运行经验可知，随着负荷的不断增加，使得开关柜的温升迅速增加。当负荷超过开关额定电流的75%时，在这种情况下，温升尤为明显，此时早已不符合标准要求。当负荷比较低时，温升现象不明显。在实际运行中，与试验室测出的温升数据相比，开关柜实际温升水平普遍比较高，并且多数情况下，当温升超标时，开关柜甚至远没有达到设计满容量。对于高压开关柜来说，开关触头、母排连接点的实际温升，通常情况下总是高于试验数据，其原因主要表现为：

1. 在试验室完成型式试验，测得相应的数据，在持续时间方面，虽然达到了稳定温升所需要的试验时间，但现场环境复杂，加上试验过程中，不具备温升累积效应，不能等同现场长期运行并持续发热的设备。

2. 不同金属在膨胀效应方面存在差异。钢制螺栓的金属膨胀系要比铜质、铝质母线的金属膨胀系数小得多，对于螺栓型设备接头来说表现得尤为突出，在实际运行过程中，随着负荷电流、温度的变化，在膨胀、收缩程度方面，由于铝、铜与铁之间存在一定的差异性，在一定程度上造成蠕变，也就是受应力作用的影响和制约，导致金属缓慢发生塑性变形。实践证明，当接头处的运行温度超过80℃时，因过热使得接头金属发生膨胀，同时受各种因素的影响，进一步产生微小的空隙，早成氧化腐蚀。当负荷电流减小温度降低回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖，造成接触电阻变大，每次温度变化的循环都会使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。

3. 连接部位紧固螺栓压力不合理。对于导体连接，在部分安装、检修人员意识中，在拧紧连接螺栓的过程中，认为螺栓拧得越紧越好，实际并非如此。由于铝质母线的弹性系数较小，当螺母压力达到临界值时，如果材料强度比较差，当继续增加压力时，将会导致接触面变形隆起，使得接触面积进一步减少，使接触电阻变大，进而影响导体的接触效果。

4. 由于导体原材料纯度不够，造成导体材料电导率不满足要求。

5. 其它因素，例如在加工、连接、安装母线过程中，对母线接触表面处理不到位、不够平整，进而减少有效接触面积，使接触电阻变大而产生发热。

以上的情况都会造成高压开关柜的温升异常，所以加强对运行开关设备温升的监视，发现问题及时采取措施就变得非常必要。

5 结束语

近几年随，着人们对供电质量要求逐渐提高，高压开关柜作为配电系统中的重要环节，其本身的安全性、经济性也受到了人们的重视。本文介绍的安科瑞无线测温产品针对高压开关柜内重要电气节点的温度进行监测，防止在运行过程中因设备受环境污染，设备长期运行，严重超载运行，触点氧化，接触不良等原因造成接点接触电阻过大而发热成为隐患，提升设备安全保障。安科瑞智能操控区别于由几个独立的电子装置分别实现带来的集成度低，配线复杂，可靠性差的缺点，实现大大提高开关柜操控的集成度和智能化程度，对温度进行在线监测，通过温升、突变、高温和超温等告警机制及时、持续、准确反映设备运行状态，避免安全事故的发生，降低设备事故率。

参考文献

[1] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11月版 

[2] 安科瑞智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全（产品报价手册）.2020.01月版

[3] 安科瑞35KV以及下变电所智能配电系统设计与产品二次原理图集.2019.7月版

[4] 安科瑞用户变电站综合自动化与运维解决方案.2020.1月版