开关柜监测发展现状

康小平，胡元辉，林吉，郑振华

(浙江宁波电业局，浙江 宁波 315010)

1 引言

开关柜是电力系统的关键主设备之一，其运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。统计表明，20世纪90年代中国电力系统开关事故类型分布如下:机械故障(拒分、拒合、误动)33.3%，绝缘故障37.3%，温升故障(载流)8.9%，其他20.5%。因此，有必要对高压开关柜的机械、温升及绝缘状态实施在线监测，及时发现事故隐患，防止事故发生［1］。

目前，开关设备的维修方式正向状态维修方向发展，而在线监测、诊断技术则是状态维修的重要依据，同时也是提高设备运行可靠性的基础。

2 开关柜温度监测方法

目前，传统的测温方式主要采用粘贴示温腊片、红外成像等，但为了保证高压开关柜较高的防护等级要求，开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，有很多位置无法直接观察到腊片熔化情况或者无法通过红外热像仪直接获得相应的红外图谱，而且红外仪成本较高，因此传统的测温方式对开关柜还存在较多盲点。针对人工巡检的不足，各科研院所和生产厂家开发了一系列新型的高压开关柜温度监测装置，在一定程度上克服了人工巡检的弱点。如红外探头测温、接触式测温红外线传输、无线传输、光纤测温等，几种测温原理的优劣比较如下。

2.1 红外探头测温

采用红外探头测温是在开关柜体上安装若干红外测温探头，通过接收电触头的红外辐射来确定其温度(如图1所示)。但是此种方式容易受到开关柜内部元件对外红外辐射光路遮挡的影响，不能准确得到触头温度，虽然可以采取一定的校正，但红外辐射的影响因素多具有事变性，无法一一校对，此外红外测温为非接触式测温，只能测设备表面的温度，因而这种方式通用性较差，无法推广使用［2］。

图1 开关柜内CT上接头铝排发热

2.2 接触式测温、红外信号传输

采用传统的接触式温度传感器(热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件等)测温，传感器信号处理电路安装在高压母线上，电源通过感应线圈从高压母线获得。测量所得信号经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，再通过解码电路得到温度数据。此种方式需要将温度检测器和获取电源的感应线圈安装于高压母线上，这在空间狭小的开关柜内部安装较为困难，同时有可能减小开关柜内部的绝缘净距。

2.3 接触式测温、无线信号传输

同样采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现测温，传感器需要通过高品质的电池供电，以实现与中间处理单元的无线数据传输，中间处理单元通过网络方式，采用数据管理系统实现变电站数据分析及报警功能，由于采用电池供电，维护工作量较大，同时这种方式测试精度较低，抗电磁干扰性能较差。常见无线温度传感器节点如图2所示。

图2 无线温度传感器节点

2.4 光纤测温

光纤测温的关键部件是温度传感器，包括分布式光纤温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器等。光纤温度传感器是光纤传感器中发展最快的一个分支，它取代传统的温度传感器，如电阻应变片，与电阻应变片相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、不受电磁干扰、抗辐射、分布式测量等显而易见的优势，所以它特别适合在易燃、易爆和强电磁等特殊的场合应用。

3 开关柜局部放电监测方法

开关柜的可靠性的统计表明，电气故障最通常的特征是在完全击穿前发生局部放电。而开关柜内部由于制造时出现毛刺、安装运输时部件松动或接触不良引起的电极电位浮动、运行中绝缘老化以及各种情况下可能出现金属微粒等各种缺陷都可能导致不同程度的局部放电。长期的局部放电使绝缘劣化损伤并逐步扩大，进而造成整个绝缘击穿或沿面闪络，进而对设备的安全运行造成威胁，导致设备在运行时出现故障。

显然，对开关柜进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取措施，避免其进一步发展，提高开关柜的可靠性。局部放电检测技术不仅可以弥补耐压试验的不足，而且通过局部放电在线监测能发现开关柜制造和安装的“清洁度”，能发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错，并能确定故障位置，从而进行有效的处理，确保设备的安全运行。因此，对开关柜局部放电实施检测具有十分重要的工程意义。

3.1 UHF局放监测

局部放电超高频检测技术是一种非接触的检测方法，依据“场”的原理，通过天线传感器接收局部放电过程中辐射的超高频电磁波，从而实现局部放电的检测。

局部放电超高频检测技术是局部放电检测的一种新方法，近年来在国内外得到了较快发展，并在电力设备如GIS、同步电机、变压器、电缆等的检测中得了应用。超高频检测技术具有检测信号频率高，外界干扰信号少等特点，因而检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高电气设备局部放电检测，特别是在线检测的可靠性和灵敏度［3］。

超高频法用于高压开关柜在线监测有明显的优点，因此这一测量技术发展很快，已在英国和法国的几个400kV变电站中取得经验。德国一些大学对此技术很感兴趣，对接受UHF信号的天线进行了理论分析和试验研究。瑞士ABB高电压技术公司在550kV的GIS试验装置中对UHF法的适用性与灵敏度进行了研究，并与常规的脉冲电流法作了对比。韩国已经形成了比较成熟的基于传感器技术的高压开关柜局放监测系统，应用400～800MHz频率范围的超高频传感器，对柜体内器件(如CT、PT)、母线连接处、支持绝缘子表面及开断装置进行了试验验证(如图3所示)。各国的研究均表明，UHF法用于高压开关柜绝缘的在线监测有很好的前景。

图3 UHF局放监测硬件处理结构图

3.2 地电波局放监测(TEV)

高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，该现象由Dr.JohnReeves在1974年首先发现，并将其命名为暂态对地电压(TEV)。

一般来说，单芯10kV电缆的阻抗约为10Ω，35kV的金属外壳母线室的阻抗则约为70Ω，电缆或母线室发生局部放电产生持续10μs约100mA的弱电脉冲电流时，在金属外壳上会出现1～7V的对地电压。电压、电流脉冲沿开关柜金属外壳的内表面传播，遇开口、接头、盖板等处的缝隙传出设备，再沿着金属外壳的外表面传播至大地。目前TEV法检测设备大都采用电容性探测器来检测放电脉冲，其工作原理如图4所示［4］。

图4 TEV局放测量原理

3.3 紫外脉冲监测

该方法基于紫外脉冲检测原理，通过结合工业内窥技术，针对高压开关柜内开关的绝缘缺陷引起的紫外光，研制一种紫外脉冲检测仪，并最终形成在线监测系统，对开关绝缘引起的光能进行测量，实现对开关绝缘缺陷的定量分析，另外将模糊集理论应用于高压开关紫外辐射测量中，根据测量得到的设备紫外辐射值进行绝缘缺陷和负荷过大的定量区分，进行综合模糊推理，形成一种绝缘状态评估的新方法。监测分机主要由电源模块，紫外传感模块，信号及数字处理模块以及通信接口模块组成，如图5所示。

图5 紫外监测系统构成

系统的核心为紫外传感模块，该模块使紫外光经过后，转换为光电流脉冲输出，输出的频率和幅度与入射紫外光成正比。采用高灵敏度的日盲型紫外传感器，工作在UV－C光谱段，避免附件光源对传感器的干扰。采用特定紫外线传感器，可利用太阳盲区，使仪器工作在特定波长之间，而对其他频谱不敏感，去除太阳辐射的干扰。此外这种型号光敏管抑止背景噪声的能力较好，长时间工作稳定性好，特别适合工作在高压开关柜内部的工作环境。

4 总结

本文对多种开关柜监测方法进行了总结，并对各种技术的优缺点进行了分析，可为相关技术的研究人员和电网运行人员提供参考。

［1］ 宋昊，崔景春，袁大陆.2004年高压开关设备运行统计分析［J］.电力设备，2006，7(2):10 －14.

［2］ 董兴海.金属封闭柜内带电运行设备局部放电检测研究［J］.云南电力技术，2006，34(4):25 －26.

［3］ 张艳，田竞，叶逢春，等.红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制［J］.高压电器，2005，41(2):91 －94.

［4］ 任明，彭华东，陈晓清，等.采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电［J］.高电压技术，2010，(10):2460 －2466.