变电站母线接头放电发热故障监测装置研究

李 敏，陈 洋

（国网宁夏电力有限公司 超高压公司，宁夏 银川 750001）

0 引 言

变电站母线接头放电发热故障是导致短路故障问题出现的主要因素之一。目前，母线接头温度检测的难点主要在于传感器灵敏度性能不足、测温精度不够等，母线接头温度变化的响应时间较长。结合红外测温与光纤光栅技术，针对性制定2 种母线接头放电发热故障监测系统装置，旨在为母线正常运行提供帮助。

1 母线接头放电发热故障原因分析

某地下变电所3 号主变220 kV 侧开关发生故障，故障产生原因是绝缘母线中的一根中间接头产生了放电现象。经现场调查，发现该接头所处三相连接的外部保护层皆出现了断裂、烧毁现象，在3 号主变开关仓下半部分的A 相二次线也存在大面积烧毁现象[1]。这部分母线处于地下室，且故障发生时当地正处于潮湿梅雨天气，室内平均湿度在80%以上。母线端面在A、C 相的防水、防潮措施不当，密封环的变形问题极为明显。与此同时，B 相端部法兰密封环具有明显水渍。

结合以上内容可推断，B 相故障原因在于防水、防潮措施不当，导致水汽深入绝缘筒体内部。尤其是母线接头处于中间连接处，不完全密闭性使得水汽更容易侵入，也更容易发生故障问题。结合该地区近年来出现的电力事故案件，母线失效故障问题中因接头放电发热产生的失效在75%以上。针对该类故障问题，除了电磁场分析和母线整体结构改进，对母线接头放电发热故障进行监测是最主要的手段。基于此，从光纤光栅、红外温度监测2 方面对故障监测装置展开研究。

2 基于光纤光栅的在线监测系统设计

光纤光栅的主要应用材料为光纤，光纤材料的光敏性特征使其透过紫外光能够产生空间相位定格[2]。光栅通过光纤纤芯的曝光制作而成，在光纤纤芯的曝光前提下，光纤光栅中中心波长数值确定。因为光栅在裸露状态下的灵敏度较低（10 pm/℃），所以通过将其拉伸的方式增大光纤光栅的热膨胀系数，从而达到增敏目的。增敏材料确定后，将353ND 双组份环氧树脂与基底连接，将其至于高低温箱内进行反复的升降温实验。经过多次实验后，能够得出基底与增敏材料之间的应力值，从而减少传感器残余应力[3]。铝合金增敏通过封装盖板与基底实现对传感器的全方位封闭，不仅能最大限度上降低外力产生的破坏作用，也能使母线接头的温度传递更加稳定。结合气体绝缘开关（Gas Insulated Switchgear，GIS）设备特征，将母线接头温度传输分为4 个通道进行采集。其中，监测系统分别在A 相、B 相、C 相3 部分设置3 个温度监测通道，另外1 个通道悬空用于检测环境温度。

光纤光栅在线监测系统的硬件设备主要包括光纤光栅传感器阵列、工控机以及波长解调模块。针对变电站母线接头特性，在波长解调模块光源方面选用宽带放大自发发射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光源。该光源采用波分复用方式，宽带光源波长范围能够结合传感器阵列复用需求调整，中心波长在1 480 ～1 600 mm 区间内。F-P 腔滤波器可采用型号为FFP-TF 的扫描滤波器，自由光谱范围为-40 ～60 nm[4]。F-P 腔滤波器驱动元件因其非线性特性，导致扫描电压与透射波长的关系存在不明确性。因此，结合其电梯迟滞特性加强光纤输入与输出的显性特征，结合曲线拟合方法明确光纤光栅传感器阵列波长解调基础，满足传感器阵列复用需求。3 dB 耦合器的效能发挥能使F-P 腔滤波器输出的中心波长进行光分离操作，光纤光栅反射光的输入、输出在光电转换器内的传递更加顺畅。

锯齿波发生器和信号处理模块是组成电路的核心内容，其中可控锯齿波发生器能够连续稳定地输送锯齿波，从而进一步产生频率为800 Hz 的电压信号。数字信号处理模块在模拟开关作用下输出开关信息，波形发生器产生振荡，并产生2 路输出电压信号[5]。一路为方波电压信号，另一路为锯齿波电压信号。为了满足F-P 腔滤波器驱动需求，需要将锯齿波电压信号再次放大。

3 基于红外温度的在线监测系统设计

3.1 红外温度传感器设计

红外测温传感器主要由信号调理电路和红外热传感探头组成。红外热传感探头的主要功能是检测母线接头温度。母线接头由密封法兰、绝缘筒、弹簧触指组成，探头内部带有热敏电阻，测量距离为3 cm，温度补偿与环境温度监测较为可行[6]。信号调理电路结构包括补偿电路（环境以及温度流失补偿）、热电偶电压采集电路。内部具有多个热电偶冷热端子，能够对母线接头的电压信号进行灵敏监测。与此同时，利用惠斯通电桥产生补偿电压对热敏电阻的非线性温度系数进行线性化处理。

3.2 温度采集器设计

温度采集器对4 路传感器信号的采集，能够结合自身所带铂热电阻对母线接头连接处的环境温度进行实时测量与数值计算。母线接头所处环境温度和接头的实际导电排温温度的差异值即为当前温升值。利用ZigBee 网络等将收集信息，并上传至监测分机。

在硬件设计方面，本文主要采用PT100 的阻值-温度特性实现对母线接头环境温度的实时测量。为了提升数据传输的可靠性，减少通信共模干扰，主要以RS485 有线通信方式为主。软件设计方面主要利用系统采集串口中断实时接收监测分机发送的采集命令，实现对4 路母线接头温升数据的采样[7]。通过采集地址与自身单元ID 的比较，实现平均值计算和滤波处理。平均值计算涉及温度、温升数据和设备地址信息，以上信息通过PT100 总线发送给监测分机，完成整体的系统闭环处理。

4 两种监测系统的对比与试运行

4.1 红外测温与光纤光栅的对比

对母线接头的不同位置，本文设置了6个测温点，对比结果如表1 所示。

表1 红外测温与光纤光栅技术对比数据

由表1 可知，红外测温方法与光纤光栅测温方法的结果基本一致，最大偏差值为1.79%。光纤光栅的效能实现很大程度上取决于光纤纤芯的光敏度，如果纤芯光敏度出现问题则很容易导致温度监测不准确。红外测温探头型号与母线接头所处位置存在直接联系，如果信号与母线接头所处位置不契合，也会导致温度监测出现问题。利用人为增加的母线接头表面对流换热效果进行检测后发现，30 s 内光纤光栅能够较为迅速的感知到温度变化，但是对于30 s 后的温度变化数值反映不灵敏。此外，30 s 内红外测温系统的响应时间比光纤光栅平均慢5 s 左右，但是对于30 s 后母线接头的温度变化数值反映较为精准。为了进一步加强对GIS 母线接头温度的实时监测，相关人员可结合2 种系统的优劣势进行针对性使用。

4.2 试运行结果及分析

以上系统装置在某变电站投入试运行后，运行期间各相母线温度变化不明显，接头处无持续升温或突然升温情况。该变电站母线接头的温度变化具有规律性，早上8:00 左右的接头温度最低，17:00—18:00的温度最高，18:00 后温度随之回落。该变电站所处地下室通风条件较差，且母线接头所处环境温差不超过2 ℃，因为光照强度的稳定使得光纤光栅在本变电站比红外测温监测效果更好[8]。考虑到部分变电站所处地区的日照强度等因素较不确定，因此可综合2种监测系统的性能灵活使用。

5 结 论

结合光纤光栅和红外测温技术，针对变电站母线接头产生的放电发热现象针对性搭建了监测系统装置，用以预测和诊断故障。经过研究，光纤光栅和红外测温监测系统装置能够较为良好地对母线接头温度变化进行检测，从而完成故障的精准定位与预警。母线运行温度与环境、负荷因素密切相关，综合使用2种监测系统装置对于保障母线的安全运行有着重要影响。由于热传递过程涉及因素较多，后续可利用有限元多物理场耦合计算搭配数学模型来确定温度变化关系，进一步加强对母线接头温度的实时预测。