试议高压开关柜温度在线监测技术

摘要：

电力系统中有大量高压开关设备.如果主回路接触不良,接触电阻偏大,长时间运行在大电流状态下,可能引起接触点温度过高,倘若未及时发现,将导致设备烧毁,造成严重的供电事故.因此,高压开关柜温度在线监测技术对提高高压开关安全运行水平,减少电力设备的运行事故,提高经济效益和社会效益等方面都具有实际意义.

关键字：高压开关柜；温度监测；检测系统

中图分类号： TM591 文献标识码： A 文章编号：

正文

1 高压开关柜温度在线监测的重要性

高压开关设备的最主要部件就是高压开关柜，承担着关合和开断电力线路、保护线路故障、运行电量数据的监测等任务。它将高压开关和控制、测量、调节、保护装置以及外壳、辅件及支持件等部件按照输配电功能需要组装起来，除进出线外，其余部件完全被金属外壳封闭。

有资料显示表明，很多发电公司、电力公司都出现了高压开关柜故障，无论程度大小，都造成了相当的经济损失。其中一部分来自开关柜本身的质量问题，但缺乏针对开关柜的有效监测手段才是目前最大问题。

绝大部分高压开关设备采用封闭结构、散热条件较差，设备在长期的使用过程中，开关柜内的接头、触点、母线排连接处等部位因老化、接触电阻过大或公差配合不良而发热，同时长期处于高电压、大电流和满负荷的条件下运行，最终便导致加剧热量集结，为了防止危及电气设备的安全运行，需要对温升采取有效的监测措施。尤其是当电力系统发生短路故障时，强大的电流使电气设备内部温升加剧，电气绝缘遭到严重破坏，并使电气设备寿命缩短，造成电气设备被烧毁。甚至发生电力电缆或设备因过热而引起火灾，导致大面积的电缆烧毁和设备损坏而被迫停机，短时间内无法恢复生产，从而造成重大经济损失。

电缆中间接头制作不良、压接头不紧固、接触电阻过大，长期运行造成的电缆头过热、烧穿绝缘直接引起电力设备过热和火灾发生。统计表明建设 10 年后的变电站，基建时制作的电缆头90% 以上均因质量不良引发故障而更换。

2 高压开关柜温度检测技术发展现状

电网设备中的触头和接头是电力系统网络重要的安全隐患位置。据统计，大部分的故障点发生在这些位置：

1) 、电缆接头。由于压接头的松动、运行时间的延长、绝缘层老化或者、局部放电等，将导致发热和温度上升，温升继续致使上述情况进一步严重，最终恶化的结果必定引起进一步温升，如此恶性循环的结果就会引发短路故障，甚至出现火灾事故。

2)、 动、静触头。电力设备中被广泛运用的开关柜，在输配电系统中的功能有：承担着关合和开断电力线路、线路故障保护、监测运行电量数据。开关柜因长期的大电流、触头老化，加上高压断路器动、静触头接触不良等因素容易使其接触电阻增大，以致长时间发热、触头温升过高甚至最终发生高压开关柜烧毁事故。

电力系统中对电力设备的检修正在由故障检修、预防性检修向状态检修过渡，作为输配电系统中广泛运用的高压开关柜，对其实施状态检修是非常必要的。目前对高压开关柜的监测大都基于人工巡检，用手持式红外测温仪检测开关柜内的温度数据;由于开关柜的结构相对复杂，元件遮挡的影响使得红外测温仪无法获得准确温度采集数据，且巡检时间间隔较长。目前国内外有多家公司正在从事高压开关柜热点温度监测的开发，但此项监测技术及系统还不是很完善，研发主要集中在数据采集、传输等方面，影响工程实用化的因素主要集中在承担数据采集及传输任务的传感终端的性能和传感终端与监测处理器之间的数据通信方式。

目前，常规的监测方式最大的问题就是无法判断故障发展趋势，也不能发现开关柜潜在的故障。有鉴于此，大量的生产设计厂商和相应的研究所研究出各种系列的新型的高压开关柜温度监测装置，以克服人工巡检的不足。总的来说，有以下几种主要的测温原理：

接触式测温、红外信号传输。采用热电耦、集成温度传感器等传统的接触式温度传感器，在高压母线上安装传感器信号处理电路，通过感应线圈从高压母线获得电源。测量出来的信号通过数字编码后驱动红外发射管，由安装于柜体低电位上的红外接收管接收红外信号，再经解码电路得到温度数据；

（2）光纤测温。将光纤温度传感器贴装在电触头表面，用光缆连接到安装于柜体的光纤解调器，使光缆光纤解调器将对应的温度数据输出。

（3）红外探头测温。把几个红外测温探头安装在开关柜柜体上，电触头的红外辐射可以用来最终确定温度。

（4）红外成像。红外热像仪获得开关柜的红外图谱，这样一来，红外图谱即可间接判断出开关柜的温度；

3 几种在线监测技术简单介绍

3.1 基于 ZigBee 的高压开关柜温度检测系统

系统主要由 ZigBee 无线传感网络和上位监控中心组成。ZigBee 无线传感网络主要负责柜内发热部位温度数据的采集、转换并将数据传到上位监控中心。上位监控中心由软件实现对上传的温度数据进行处理分析，具有显示、保存、查询及报警功能。

基于 ZigBee 的无线传感网络开关柜测温在线检测系统，其能够实时自动在线检测开关柜内触点、母线接头等处的温度，当出现异常时，能够及时给出超限量、故障定位、报警并记录现场状态，提示工作人员进行相关操作，减少了设备由于异常引起事故扩大的可能性，协助技术人员事后进行故障分析、查找原因，提高了设备运行的安全性和可靠性，减轻了

工作强度。

3.2基于红外传输的新型实时温度测量系统

该系统的主要工作原理是利用红外技术进行数据的传输，温度测量元件选用数字式温度变送器。从高压母线接线排处取得供电电源。另外，采用精度高、功耗小的设计技术进行信号处理和通信，使得整个测量电路功耗低于5mw。这种系统的优点在于工作稳定性高，功耗小、响应迅速、抗电磁干扰能力强。

高压开关柜的新型数字式温度在线监测系统主要由电流互感器电源模块、温度测量模块、高位红外通讯模块、低位红外通讯模块以及现场监测模块组成。位于高压侧的温度测量模块及高位红外通讯模块体积小巧，安装简便，不影响开关柜的绝缘性能。

3.3基于光器件的开关柜温度在线监测

采用HFBR-1414光发送器和HFBR-2412光接收器可以进行可靠温度监测与远程通信,是一般通信方式无法替代的。对恶劣环境下实现低成本、低功耗的可靠通信具有一定的参考价值。

开发这种适用于监测高压开关柜触点温度的监测装置,其技术关键点:

1)高低压隔离问题。主回路带高压,测量装置低电压,采用光纤进行高低压隔离[1].

2)消除电磁干扰问题。屏蔽监测装置,将单片机剩余的I/O口设置成输出口.

3)降低功耗措施。监测装置采用一次性锂电池供电,需进行低功耗设计.采用低功耗高速光发射器件、间断采集处理信号、使单片机进入休眠状态.

4)装置性能稳定性措施。采用工业级高性能高灵敏度的元器件、工作温度-40e~+85e、适应恶劣环境、并引入软件冗余算法。

3.4基于S C A D A 系统高压开关柜在线监测系统

采用新的测温原理，从温度场的角度对开关柜内温度分布进行在线监测，改变了过去从“点”的角度对个别部件测温的方法。

该系统的设计原理是：通过数字温度传感器对高压开关柜运行状态的温度参量进行在线监测，对多台高压开关柜的实时温度进行横向比较，以及对某一开关柜的温度监测值进行纵向比较，利用监控中心计算机的智能诊断系统对高压开关柜的状态进行诊断，并对开关柜内关键部件进行状态评估和电寿命预测，从而对变电站运行提出指导，为电力调度提供参考，对有可能发生的故障做出预警。

结语：

高压开关柜具有关合、开断电力输电线路的功能，也是电力系统中较为常见的电力设备。针对不同的产品需求，适用范围（比如工作环境、设备关断精度），在生产设计过程中，可以选择不同特点在线监测温度的系统，尽量规避各系统的缺陷，从而探寻出最适合该开关柜的在线监测方案，实现高压开关柜运行水平的提高，降低电力设备的故障率，保证电力系统的正常安全运行。

参 考 文 献：

［1］ 苑舜． 高压开关设备状态监测与诊断技术［M］． 北京机械工业出版社，2001．

［2］钱祥忠． 高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计［J］． 仪表技术与传感器，2007( 2) : 73 －75．

［3］ 孟庆民． 高压开关设备的温度在线监测研究［J］． 高压电器，2006，42( 5) : 352 － 354．