外覆绝缘材料的高压开关柜接头温度监测技术

王大蔚

摘要：近年来，固体绝缘开关柜以其优越的环境适应能力，免维护和良好的环保性能等特点，被国家电网公司广为推崇。固体绝缘开关柜采用新型环保固体材料作为绝缘介质，将数组开关、带电导体整体浇注固封，相对于气体绝缘开关设备（GasInsulatedSwitchgear，GIS）来说其体积更小、抗污染能力更强。但是一次回路热功率很大且散热性差，因接线桩头接触不良而引发的过热故障一直是开关柜面临的主要安全问题。

关键词：外覆绝缘材料;高压开关柜;温度监测

引言

目前，电力运维人员广泛采用的开关柜的测温方法是人工测温法。但该方法检测的准确度受人为主观性影响较大，不同的电力运维人员操作，检测数据可能不尽相同，而且人工操作不适用于设备的长期测量，无法满足实时性的要求。此外，人工操作手持式测温设备采用的是有线通信，不仅会造成开关柜的布线繁琐，在通信线污秽严重的情况下，还会造成开关柜绝缘水平下降，影响电力设备的运行安全。另一种电力设备测温是使用接触式的传感器来采集温度，其特点是接触式的，所以就导致安装时必须进行检修停电，不仅如此，接触式的测温元件极易发生故障，一旦发生故障，需停电进行检修，影响用户用电。

1热点产生原因

高压开关柜有多处母排搭接触头，并且隔离开关、断路器触头、电缆接线桩头是可分/合接触，这些接触点存在接触电阻，电接触位置由于长期的使用和频繁的开闭操作而导致压接部位产生松动，回路电阻会因触头接触状况的不同而改变，一旦通入电流，就会产生发热点。按照DL/T404—2007《3.6～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》和GB/T763—1990《交流高压电器在长期工作时的发热》，在正常工况下各连接部位的回路电阻和温升应满足规程要求。然而，一旦压接点出现异常情况，导致接触电阻增大，触头温度高于正常运行温升水平会加快触头接触面损坏程度，长期的温升过高最终会降低绝缘层的绝缘水平，缩短开关设备寿命，严重时会因为电压击穿引发开关设备的故障，引发大范围的停电事故。

2 Lora无线通信系统

Lora无线通信系统的优点如下：1）Lora无线通信具有良好的抗电磁干扰能力。测温系统工作在高压环境中，有着强磁场的干扰。基于强磁场干扰的条件，可以将Lora无线通信系统设定在基于空闲信道评估技术和动态信道选择技术两种方法相结合的工作模式。2）Lora无线通信低成本且能耗低。开关柜中需安装大量的分布式测温终端，其安装的节点较为分散，且节点较多。Lora无线通信具有能耗低的特点，因此即使节点众多，其仍具有良好的经济性。3）Lora无线通信可靠性高。

3硬件电路设计

面阵传感器包含数字信号处理芯片以及红外热电堆传感器。传感器功能组成框图。热点发射的辐射能量经过光学系统由内置探测器接收。此时光信号经过大气衰减等过程强度较弱，需要经过放大器后传输至A/D转换器，此时已将光信号转化至数字信号。为了实现温度的准确测量，还需对数字信号进行去噪等过程，最后结合环境温度等计算出物体的温度。MLX90640传感器可在-40～85℃的环境中正常工作，测温范围为-40～300℃，满足开关柜测温的温度条件。该传感器刷新率最高可达64Hz。由于刷新率太高时噪声干扰较大，所以对开关柜的温度监测一般采用16Hz。测量完成的数据更新到RAM区，占用1536B，MLX90640每次测量50%像素点，分两次完成所有768个像素的测量，在逻辑上将每次测量完成的50%称为一个子页，故此数据帧有两个子页面（两个子页合并后才是完整的768个像素数据），每次完成50%像素点的分布模式有两种。控制寄存器默认的模式是棋盘模式，即第0子页为768个像元中的奇数项，第1子页为768个像元中的偶数项。如果要计算环境温度，则必须同时读取两个RAM子页，因为环境温度的计算需要两个子页的数据合并以后方可获得，即环境温度的转换速率比“控制寄存器1”设置的速率慢50%。标准的MLX90640模块是在棋盘模式下校准的，因为传感器在棋盘模式下具有更好的噪声滤除性能，所以本文仍采用棋盘模式。

4仿真与模拟试验的比对

通过建模、仿真计算能够大致获取金属本体和绝缘外层的温度关系，对于仿真模型的准确性，还需采用型式试验进行验证。为模拟电缆接头发热现象，试验采用300W加热器给金属加热，使导体温度升高，直到温升稳定;接着用ST630型号的测温仪（-50～380℃）分别测量记录金属导体、绝缘外壁以及空间环境温度值。根据建立的模型仿真值，结合模拟试验对应的记录值，对比两者实际对应数据。仿真计算与模拟试验比较如表1所示。由表1可见，两者之间存在一定的数据误差，分析整个过程主要有以下原因：①试验过程默认设备处于无限大空间中，为简化计算仿真过程视为有限大空间;②稳态时，金属本体热辐射过程远小于热传导过程，因此在计算时忽略了金属对绝缘材料的热辐射因素;③模擬试验过程存在不可避免的人为操作误差，其中所采用的测温仪器本身误差为1K。

结束语

高压开关柜内部长期处于高压、大电流以及强磁场的环境，对测温方式的要求极高。目前大部分对于开关柜测温课题的研究停留在对单一设备或局部易发热部位点对点测温的程度，忽略环境温度对易发热部位的影响，导致出现故障信息晚报、误报的现象。为此提出了面阵测温的方式，对视场内所有部位的温度状态进行监测，对后期的温度分布进行可视化处理，减弱了环境因素对测温准确度的影响，对开关柜内设备运行状态有更加直观的表现。经过现场实验，系统测温稳定性高，可检测出局部过热点及有效识别设备异常运行状态，证明了面阵测温方式在开关柜测温中的可行性与先进性。后续研究中可针对矩阵温度信息，利用人工智能、大数据分析的手段，对开关柜设备运行状态进行分析，结合历史故障信息，提高故障分析预测准确率，保障电力系统持续稳定运行。

参考文献

[1]郭源.电力高压开关柜无源无线测温关键技术研究[D].山东大学，2018.

[2]贺韡.高压开关柜发热分析与改善措施[D].广东工业大学，2018.

[3]董祥渊，王赛豪，段晓辉，孙英杰，占小猛，江经华.高压开关柜温升超标原因分析及预防措施研究[J].自动化应用，2018（09）：96-97.

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