一种高压开关柜在线测温系统设计

赵 洁

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司机电公司，陕西 延安 727307)

0 引言

陕西陕煤黄陵矿业地面供电系统主要承担4个矿井生产和矿区生活用电的供电任务，处于高电压和大电流状态。母线部分多采用焊接、螺丝连接或压接方式，35 kV、10/6 kV高压开关柜内部螺丝、电缆头等连接部位十分隐蔽；在运行过程中，容易受到电、热、机械、环境等各种因素影响，人工巡检肉眼观察无法辨别设备运行的情况，有的地方无法直接进行测量，尤其是开关柜多采用KYN28A全封闭铠装柜体。断路器采用小车式断路器，这样的柜体具有安全性能好，操作更加便利的优点，但由于采用的是全封闭结构，导致断路器上下触头以及电缆接头的接触情况无法被直接观察[1-3]。当柜内动静触头、电缆接头等连接部分接触不良，在运行时有电流通过，会造成温度升高，引起设备老化，绝缘下降，严重危害设备在运行期间的可靠性与安全性，如果任由过热问题发展，会进一步损害绝缘件的性能及设备寿命，严重时将造成短路故障，损坏设备，当温度达到一定程度时会发生电气火灾，中断供电。

1 设备发热原因及现有测温系统

1.1 电力设备发热原因分析

黄陵矿业公司机电公司每年都对电气设备进行春季预防性试验和秋季设备全面检修工作，以及每月定期的设备检修维护，但在电力系统实际运行中造成设备接头发热引发电气火灾，发现其原因并不是单一的。

机械强度下降：铜、铝、螺栓、弹簧、弹垫会产生慢性退火变软，丧失机械强度，导致变形和破坏。

绝缘性能降低：绝缘材料的使用寿命在估算时，“八度规则”经验规律是较为有效的手段之一。当温度上升8 ℃时，寿命就会下降一半[4-6]。

谐波形成的影响：由于产生大量谐波的用电设备不断增加，谐波会在并联电容器的大量使用下放大，使得谐波造成的危害加重。由于谐波的频率较高，使导线的集肤效应加重，因此铜损急剧增加，非线性负荷的负荷电流可能增加到线性负荷的50%，使得导体发热[7]。

现场其他因素：例如在检修期间，如果检修工艺使用不合理，也会影响电力设备的正常运行。这类问题有母线在安装与加工等过程中，对母线接触表面的处理不合理，有不光滑、不平整等问题的出现，从而造成有效接触面积减少，接触电阻增大而发热。过负荷、短路引起温升是比较常见的，但是其他原因则经常被人们忽视。负荷大小并不是影响接触不良和谐波的的主要因素[8]。也就是说，开关的质量再好，当负荷容量达到相关的条件后，也会出现温升超标的情况；温升的上升同样也会受到接触不良等问题的影响。所以造成温升问题的因素有很多，不止负荷大一个原因。温升所带来的影响一般有绝缘击穿等急性故障，也有绝缘性能下降等慢性故障。电气设备的健康状态也会受到温度和绝缘的影响。所以在规避电气事故发生时，温升状况的掌握是十分有效的[9]。

针对以上问题，目前机电公司制定以下对策。比如在操作质量上，加强值班员业务水平，提高倒闸操作质量；要定期巡查，做好断路器动静触头、刀闸触指、触头分合等位置是否对应等工作。以上措施虽能够降低事故发生的几率，但仍然无法在第一时间发现隐患。

1.2 现有测温系统

目前常用的测温系统分为有源测温和无源测温，有源测温有红外线温感系统和无线测温系统，无源测温主要为光纤测温系统。

红外测温仪：人工巡查测温过程中，红外测温仪的使用较为普遍，虽然使用较为灵活，但是成本较高，精准度不高，实时监测效果不是很理想，且一旦遇到遮挡物，红外线便无法穿过，同时会受到周围磁场的影响，导致红外测温仪的应用范围较低。由于开关柜的空间有限，不适宜安装红外测温探头，原因是探头安装后需要与周围的物体保持一定的距离，易受周围环境的干扰，导致测温的精度受到影响。

无线测温系统：电池供电或CT取能是无线测温系统的传感器电能的来源，测温芯片在得到信号之后通过无线芯片发出，该方案在实际应用中为有源方案，虽然可以满足温度信号的无线传输，但是在电能的来源为电池供电或者CT取能，存在需要定期对电池进行更换的缺点。由于是电池供电，在夏季时随温度升高，电池对高温的抵抗能力变差，从而会对电力部门的工作造成极大影响[8]。CT取能虽然不需要更换电池，但是接头电流较小，电能无法取出等问题，导致传感器的工作停止；如果电流较大，这时极有可能造成传感器被烧坏。CT取能的缺点是传感头的体积较大，取能效率会受到布放位置的影响，且适用性较低，CT取电需控制好磁饱和曲线，参数选择不当时会损坏传感器部分的电路或让传感器无法工作，影响可靠性。

光纤测温系统：这些年在国内外高压测量研究中，对光纤技术的研究与应用比较广泛，光纤技术可以实现在线测量，得到电量参数。光纤传输系统在实际应用中，主要是由于其具有耐腐蚀、绝缘强度高等特点，且体积较小，适应于高电压测量，所以有良好的应用效果。光纤式温度测温主要的信号来源是光纤信号，在带电物体的表面安装温度传感头，光纤是连接测温仪与温度传感器的方式。分布式光纤测温、荧光光纤测温、光纤光栅等是光纤测温的主要方式，其中优势最为明显的是荧光光纤测温，不仅便于安装，而且使用寿命较长，可以实现多路多点的温度监测，尤其是在大规模的温度点监测中，适用效果更明显。在测量期间精准度与分辨率较高。传感量检测及传输均为光信号，不仅在不同的环境中有良好的适用性，还不会受到电磁干扰的影响。在安装期间由于体积小，所以安装较为方便与简单；使用期间既无需电池或者交流取电，又不受现有环境限制，所以维护简单，经济可靠性高。

2 设计方案

2.1 设计方向

针对本单位目前电气设备实际情况，所要采用的在线测温系统必须实现的功能有：解决高压开关柜、变压器等高压设备精准测温问题；解决测温设备在高温、高压、高磁场中信号传输稳定可靠问题；解决矿区所有配电室与电力调度实时数据传输问题；实现测温系统与消防报警系统的实时联动。

2.2 光纤测温系统

系统组成：主要由荧光光纤、光纤测温仪、DTU(数据处理单元)、上位监控机和人机交互软件等部分组成。

系统原理：利用光纤传感器采集被监测部位的温度信息，传送给光纤测温仪，通过光纤测温仪将光信号解调为温度数值，来监测被监测部位的温度测量，测温系统功能框图如图1所示。

图1 测温系统功能框图

系统优势：长期的应用中发现该系统具有良好的性能，主要表现为高绝缘、耐高温与耐老化等；稀土铝酸盐是光纤传感器末端的主要物质，而聚四氟乙烯是尾纤护套的材质的主要材料，这些物质具有良好的耐老化与耐高温等特质，所以可以适用于高压、高温、强电磁等不同的环境。

荧光测温的基本原理：当受到外界光刺激后某些稀土物质就会发光，若无来自外部的刺激，也会自主的持续发光一段时间，而这个持续时间是和温度相关的，通过测量荧光余晖的时间从而反演出温度。

荧光测温工作步骤：①光源发出一束光脉冲，通过耦合器调制后射入光纤传感器中；②光纤传感器反射回一束特定波长的光信号，该信号携带有被测点的温度因子；③信号处理电路对该光信号进行分析、计算后得出被测点的实际温度。

2.3 安装方案

在安装过程中，可将光纤传感器安装在断路器触头、母线连接处、开关柜电缆仓、变压器线圈内等关键部位。其接线简单、便利、美观。

2.4 实施方案

将光纤测温仪测得的温度数据接入该配电室的消防灭火装置和DTU主机，消防灭火装置通过和测温仪的联动实现灭火装置自动启动，进行电气灭火，DTU通过4G通讯模块将采集数据通过4G网络传输至电力调度系统及个人手机。同时，该温度监测系统还应具备上传的温度数据可以进行实时查看和历史曲线查看，并具备高温报警及温升过快报警功能。开关柜光纤测温总体方案示意图，如图2所示。

3 结语

煤矿变电站对供电安全要求等级较高，随着矿区变电站无人化建设的推进，实现了变电站高压设备精准测温。调度中心通过测温报告，可实时分析设备的生命周期，及时安排检修计划，降低设备故障率，有效保证了矿井生产和职工生活的用电安全。