10kV高压开关柜发热故障分析及监控策略

黄泽荣

摘要：10kV金属封闭式高压开关柜内设备过热是引发电力系统设备事故的重要原因之一。本文详细分析了高压开关柜过热的原因，并结合目前10kV高压开关柜测温手段，深入剖析、对比了在线测温技术的优缺点，最后，结合某变电站10kV开关柜在线测温应用实例，充分阐述了有源无线测温技术的原理、系统构成及现场安装，通过工程实践证明了无线测温系统的有效性和可推广性。

关键词：高压开关柜、过热、在线测温

引言

10kV金属封闭式高压开关柜在现代电网中承担着举足轻重的地位，由于10kV高压开关柜内空间有限的原因，柜内各元器件安装得比较紧凑，开关设备之间除了电能传输之外更受到彼此磁场的影响，运行工况复杂，导致开关设备的通风散热性能比较恶劣。其中主变变低、母联开关设备要通过比一般线路大得多电流，这类开关设备往往称之为大电流开关设备（额定电流大于 3150A），在电力系统中，大电流开关设备起着汇集开关电流的作用，一旦发生故障，将造成比普通线路开关故障更为严重的后果。

一、开关柜发热原因

10kV开关柜发热的主要部位多表现在刀闸动静触头处和开关、CT、刀闸联接铝排处，发热主要原因有：涡流发热，螺母松动，设备安装连接工艺不当及刀闸触头接触压力不够。

1、涡流发热

开关柜中，对由导磁体内涡流产生的发热也应该引起足够的重视。在某种情况下，这种发热有时并不低于接触不良所引起的发热。

2、螺母松动

（1）出厂装配、安装过程中出现疏漏。

（2）新开关柜投运一段时间后，母排在运行中产生了一定的温升及膨胀，而此膨胀力又使得原已紧固的螺钉受到拉伸出现微小的变长，母排间的搭接处接触电阻增大而导致发热；加之长期的热胀冷缩，使螺母出现松动。

（3）设备安装连接工艺不当。如封闭式高压柜内小车式开关插嘴的位置与固定的插头位置如有偏差，导致开关推人后插头部分就可能接触不实，造成触头发热。

（4）触指弹簧疲软

通常当隔离插头插入深度不够，或是隔离插头与触指间对中不好，造成局部过热，使触指弹簧退火而出现疲软。疲软的弹簧使触指和触头间的接触压力降低，接触状态变得更差，促使发热更加严重，触指弹簧进一步退火，从而进入一种恶性循环，使发热发展成为过热状态，最后引发事故。

二、开关柜测温的方法

10kV高压开关设备的传统测温方法主要依赖手工操作，受巡视周期、测量角度与仪器精度等因素影响，不能准确、实时地反应 10kV 高压开关的运行温度，也无法对开关运行温度数据进行连续采集、比对。这样便导致一些开关设备的故障无法被及时发现并进行处理，导致开关设备长期“带病”运行，严重影响着设备、电网的安全运行。

1、 传统测温方法

（1）在开关柜门上开测温孔或加装可透过红外线的特殊透明材料，用红外成像仪监测柜内发热情况。其优点是测温范围广，施工工艺简单。缺点是不能实现远程监控，需人为监测，工作量大；在巡检过程中工作人员的责任心及巡检间隔时间都会影响到巡检结果；存在着一定的安全风险，不能实现实时监测，更不能预测未来情况并对故障缺陷及时报警；开孔位置受限，必须开在合适位置，才能监测到尽可能多的部位；红外成像仪和透视片需配合使用，成本偏高，对推广应用有一定难度。

（2）使用红外线在线监测系统对柜内触头进行监控，该方式采用的是非接触式测温。其优点是测温速度快，测温范围广，且对被测温场无干扰，与高电压完全隔离；技术先进，系统可靠稳定。缺点是该系统测温还停留在点对点上，一个触头需要对应一个温度传感，没有探测到整个开关内接头的发热情况。

（3）在开关柜内触头附近，加装带传感器的测温装置。将传感器埋入或固定在可靠的触臂上，使之十分靠近发热点，传感器将采集到的数据有线传输至监测仪。其优点是数据就地显示，也可实现对设备的远程监控；手车和非手车型开关柜都适用。缺点是通道数量受限，导致实际发热的部位因没有装传感器而漏检；测温范围为0～125℃。有线传输使柜内布线繁杂凌乱。开关柜内原有的电场均布改变，造成电气设备放电等新的故障。部分CT取电设备，往往因电量小而不能稳定工作，不方便检测设备日常维护及出现故障时维修。

2、在线测温方法

随着 10kV 高压开关在线测温技术地兴起与成熟，近些年来，在线测温技术已经在电力生产领域得到了广泛应用，在并取得了显著成效，为最终实现 10kV 高压开关的状态检修打下了坚实基础，以下介绍两种目前较为流行的在线无线测温方法。

（1）有源无线测温，为无线数据传输方式，安装相对方便灵活，目前也是较多设备在使用该测温方法。但使用的反馈情况是由于电池传感器体积相对较大，在狭小的空间内安装困难。维护时需要定期更换电池，带来巨大的维护工作量，且电池长期工作在温度较高及较强电磁场的环境下，存在一定的安全隐患。温度传感器通过匹配软件的校正后就已经补偿了传感器制作过程中的偏差，传感器可在任何工作溫度范围内的温度进行调试并长期稳定工作。

（2）无源无线测温，其特点为无源无线温度传感器体积小，与采集器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受设备结构和空间影响。无需使用电池，安装成功后基本无需维护。无线工作方式，且由于射频信号具有一定的穿透绕射能力，可广泛用于测量可视范围内及存在障碍物的各种物体温度。无源的工作方式不受能量限制，可以较高的频率进行温度信息的采集，数据实时性高，是目前较为新型的在线测温方法，实施效果很好。

三、在线测温的应用

开关设备在线测温系统主要由以下几个部分组成（有源及无源无线测温）：

1、 信号变送单元 一般由开关设备的温度传感器来完成，从开关设备上检测出反映开关设备温度的物理量，并将其转换为合适信号（包括光、电、无线信号等），传送到后续的单元。完成了对设备运行状态下的原始信号采集，并对其进行观测和读数。

2、 信号预处理单元 将温度传感器传送来的信号进行预处理，对干扰信号进行抑制以提高信噪比。

3、 数据采集单元 对经过处理的光、电、无线信号等进行采集、经过采样保持后，进行 A/D 转换，然后利用数据采集系统记录。

4、 信号传输单元 将采集到的光、电、无线信号等传送到后续单元，对于固定型的监测系统而言，必须配置专门的信号传送单元；而便携式的监测装置，则只需要对采集到信号进行适当的变换和隔离即可。

5、 数据处理 对所采集到的数据进行处理和分析，如读取特征值，并作必要的分析，为故障诊断提供有效的数据和信息。

6、 故障诊断 对处理后的数据和历史数据、判据及其他信息进行比较、分析后，对设备的状态或故障部位作出诊断。必要时要采取进一步措施，例如安排维修计划、是否需要退出运行等。

四、结论

事实上，无线在线测温装置对开关柜设备的发热监控有着显著的效果，减少由于接触不良、接头松动、表面氧化、电化腐蚀、超负荷、环温过高、通风不良等引起过热引发的事故，提高供电可靠率，便于实现状态检修和设备自动化。