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[摘 要]高压开关柜在长期运行过程中，开关柜中的触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度监测困难，无法实现实时在线监测，由此最终导致火灾事故。近年来，在电厂和变电站已经发生多起开关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电，因此解决开关柜过热问题是杜绝此类事故发生的关键。
[关键词]高压开关柜；温度检测；技术研究
中图分类号：TM591；TN822 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0293-01
1 高压开关柜温度在线监测的重要性
高压开关设备的最主要部件就是高压开关柜，承担着关合和开断电力线路、保护线路故障、运行电量数据的监测等任务。它将高压开关和控制、测量、调节、保护装置以及外壳、辅件及支持件等部件按照输配电功能需要组装起来，除进出线外，其余部件完全被金属外壳封闭。
有资料显示表明，很多发电公司、电力公司都出现了高压开关柜故障，无论程度大小，都造成了相当的经济损失。其中一部分来自开关柜本身的质量问题，但缺乏针对开关柜的有效监测手段才是目前最大问题。
绝大部分高压开关设备采用封闭结构、散热条件较差，设备在长期的使用过程中，开关柜内的接头、触点、母线排连接处等部位因老化、接触电阻过大或公差配合不良而发热，同时长期处于高电压、大电流和满负荷的条件下运行，最终便导致加剧热量集结，为了防止危及电气设备的安全运行，需要对温升采取有效的监测措施。尤其是当电力系统发生短路故障时，强大的电流使电气设备内部温升加剧，电气绝缘遭到严重破坏，并使电气设备寿命缩短，造成电气设备被烧毁。甚至发生电力电缆或设备因过热而引起火灾，导致大面积的电缆烧毁和设备损坏而被迫停机，短时间内无法恢复生产，从而造成重大经济损失。
电缆中间接头制作不良、压接头不紧固、接触电阻过大，长期运行造成的电缆头过热、烧穿绝缘直接引起电力设备过热和火灾发生。统计表明建设 10 年后的变电站，基建时制作的电缆头90% 以上均因质量不良引发故障而更换。
2 高压开关柜故障与触头温度的关系
2.1 接触电阻增大，导体连接部位的压紧螺栓或压紧弹簧的压紧力不恰当，导致连接部位的接触电阻增大导体相互连接的接触面不平整，造成接触面的通流容量降低，相对于正常负荷电流该接触面的电阻相对较大导体相互连接的接触面氧化、积灰，造成接触电阻增大设备存在制造缺陷，个别环节的电气连接方式不当，造成通流容量较小的“卡脖子”环节。
2.2 运行温度过高，电气设备接头母线连接等一般常用螺栓连接，当接头因气候或通过电流密度太大等原因产生过热时，会导致膨胀，而铝或铜的膨胀系数大于钢，此时因钢制垫圈所限，母线接头不能自由膨胀，当母线电流减小等原因致温度降低后，母线的收缩率大于螺栓，于是压力下降，形成一个间隙，此时接触面位置错开，接触压力降低，而导致接触电阻增加。温度的升高，又使母线接触面氧化，破坏了原来母线金属面的直接接触，氧化膜的形成，又使接触电阻更大。每次温度变化循环使接触电阻增加，又使下一次循环时热量增加，较高的温度又使接触进一步变坏。
2.3 负荷电流增大，设备的发热量与电流的平方成正比，而设备的散热量大约与温升的一次方成比例，当电流增大到二倍时，发热量将增大到四倍，温升也将增大到四倍。
3 几种在线监测技术简单介绍
3.1 基于 ZigBee 的高压开关柜温度检测系统
系统主要由 ZigBee 无线传感网络和上位监控中心组成。ZigBee 无线传感网络主要负责柜内发热部位温度数据的采集、转换并将数据传到上位监控中心。上位监控中心由软件实现对上传的温度数据进行处理分析，具有显示、保存、查询及报警功能。
基于 ZigBee 的无线传感网络开关柜测温在线检测系统，其能够实时自动在线检测开关柜内触点、母线接头等处的温度，当出现异常时，能够及时给出超限量、故障定位、报警并记录现场状态，提示工作人员进行相关操作，减少了设备由于异常引起事故扩大的可能性，协助技术人员事后进行故障分析、查找原因，提高了设备运行的安全性和可靠性，减轻了工作强度。
3.2基于红外传输的新型实时温度测量系统
该系统的主要工作原理是利用红外技术进行数据的传输，温度测量元件选用数字式温度变送器。从高压母线接线排处取得供电电源。另外，采用精度高、功耗小的设计技术进行信号处理和通信，使得整个测量电路功耗低于5mw。这种系统的优点在于工作稳定性高，功耗小、响应迅速、抗电磁干扰能力强。
高压开关柜的新型数字式温度在线监测系统主要由电流互感器电源模块、温度测量模块、高位红外通讯模块、低位红外通讯模块以及现场监测模块组成。位于高压侧的温度测量模块及高位红外通讯模块体积小巧，安装简便，不影响开关柜的绝缘性能。
3.3基于光器件的开关柜温度在线监测
采用HFBR-1414光发送器和HFBR-2412光接收器可以进行可靠温度监测与远程通信，是一般通信方式无法替代的。对恶劣环境下实现低成本、低功耗的可靠通信具有一定的参考价值。
开发这种适用于监测高压开关柜触点温度的监测装置，其技术关键点：
1）高低压隔离问题。主回路带高压，测量装置低电压，采用光纤进行高低压隔离[1].
2）消除电磁干扰问题。屏蔽监测装置，将单片机剩余的I/O口设置成输出口.
3）降低功耗措施。监测装置采用一次性锂电池供电，需进行低功耗设计.采用低功耗高速光发射器件、间断采集处理信号、使单片机进入休眠状态.
4）装置性能稳定性措施。采用工业级高性能高灵敏度的元器件、工作温度-40e～+85e、适应恶劣环境、并引入软件冗余算法。
3.4基于S C A D A 系统高压开关柜在线监测系统
采用新的测温原理，从温度场的角度对开关柜内温度分布进行在线监测，改变了过去从“点”的角度对个别部件测温的方法。
该系统的设计原理是：通过数字温度传感器对高压开关柜运行状态的温度参量进行在线监测，对多台高压开关柜的实时温度进行横向比较，以及对某一开关柜的温度监测值进行纵向比较，利用监控中心計算机的智能诊断系统对高压开关柜的状态进行诊断，并对开关柜内关键部件进行状态评估和电寿命预测，从而对变电站运行提出指导，为电力调度提供参考，对有可能发生的故障做出预警。
结束语
综上所述，高压开关柜在我国电力系统的运行中起着十分重要的作用，实现高压开关柜的在线温度监测不仅有利于提高设备的运行效率，保证设备运行的安全，更能在一定程度上实现电力系统的正常供电，对我国工业的生产和人民的生活均有着十分重要的作用。
参考文献
[1]孙正来，孙鸣.高压开关柜温度在线监测技术研究[J].《电力信息化》，2008，（6）.
[2]宋梁，温秀峰.高压开关柜温度在线监测研究[J].《电气开关》，2012，（3）.
[3]祥忠.高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2007（2）： 73 -75.
[4] 孟庆民.高压开关设备的温度在线监测研究[J].高压电器，2006，42（ 5）：352-354.
[关键词]高压开关柜；温度检测；技术研究
中图分类号：TM591；TN822 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0293-01
1 高压开关柜温度在线监测的重要性
高压开关设备的最主要部件就是高压开关柜，承担着关合和开断电力线路、保护线路故障、运行电量数据的监测等任务。它将高压开关和控制、测量、调节、保护装置以及外壳、辅件及支持件等部件按照输配电功能需要组装起来，除进出线外，其余部件完全被金属外壳封闭。
有资料显示表明，很多发电公司、电力公司都出现了高压开关柜故障，无论程度大小，都造成了相当的经济损失。其中一部分来自开关柜本身的质量问题，但缺乏针对开关柜的有效监测手段才是目前最大问题。
绝大部分高压开关设备采用封闭结构、散热条件较差，设备在长期的使用过程中，开关柜内的接头、触点、母线排连接处等部位因老化、接触电阻过大或公差配合不良而发热，同时长期处于高电压、大电流和满负荷的条件下运行，最终便导致加剧热量集结，为了防止危及电气设备的安全运行，需要对温升采取有效的监测措施。尤其是当电力系统发生短路故障时，强大的电流使电气设备内部温升加剧，电气绝缘遭到严重破坏，并使电气设备寿命缩短，造成电气设备被烧毁。甚至发生电力电缆或设备因过热而引起火灾，导致大面积的电缆烧毁和设备损坏而被迫停机，短时间内无法恢复生产，从而造成重大经济损失。
电缆中间接头制作不良、压接头不紧固、接触电阻过大，长期运行造成的电缆头过热、烧穿绝缘直接引起电力设备过热和火灾发生。统计表明建设 10 年后的变电站，基建时制作的电缆头90% 以上均因质量不良引发故障而更换。
2 高压开关柜故障与触头温度的关系
2.1 接触电阻增大，导体连接部位的压紧螺栓或压紧弹簧的压紧力不恰当，导致连接部位的接触电阻增大导体相互连接的接触面不平整，造成接触面的通流容量降低，相对于正常负荷电流该接触面的电阻相对较大导体相互连接的接触面氧化、积灰，造成接触电阻增大设备存在制造缺陷，个别环节的电气连接方式不当，造成通流容量较小的“卡脖子”环节。
2.2 运行温度过高，电气设备接头母线连接等一般常用螺栓连接，当接头因气候或通过电流密度太大等原因产生过热时，会导致膨胀，而铝或铜的膨胀系数大于钢，此时因钢制垫圈所限，母线接头不能自由膨胀，当母线电流减小等原因致温度降低后，母线的收缩率大于螺栓，于是压力下降，形成一个间隙，此时接触面位置错开，接触压力降低，而导致接触电阻增加。温度的升高，又使母线接触面氧化，破坏了原来母线金属面的直接接触，氧化膜的形成，又使接触电阻更大。每次温度变化循环使接触电阻增加，又使下一次循环时热量增加，较高的温度又使接触进一步变坏。
2.3 负荷电流增大，设备的发热量与电流的平方成正比，而设备的散热量大约与温升的一次方成比例，当电流增大到二倍时，发热量将增大到四倍，温升也将增大到四倍。
3 几种在线监测技术简单介绍
3.1 基于 ZigBee 的高压开关柜温度检测系统
系统主要由 ZigBee 无线传感网络和上位监控中心组成。ZigBee 无线传感网络主要负责柜内发热部位温度数据的采集、转换并将数据传到上位监控中心。上位监控中心由软件实现对上传的温度数据进行处理分析，具有显示、保存、查询及报警功能。
基于 ZigBee 的无线传感网络开关柜测温在线检测系统，其能够实时自动在线检测开关柜内触点、母线接头等处的温度，当出现异常时，能够及时给出超限量、故障定位、报警并记录现场状态，提示工作人员进行相关操作，减少了设备由于异常引起事故扩大的可能性，协助技术人员事后进行故障分析、查找原因，提高了设备运行的安全性和可靠性，减轻了工作强度。
3.2基于红外传输的新型实时温度测量系统
该系统的主要工作原理是利用红外技术进行数据的传输，温度测量元件选用数字式温度变送器。从高压母线接线排处取得供电电源。另外，采用精度高、功耗小的设计技术进行信号处理和通信，使得整个测量电路功耗低于5mw。这种系统的优点在于工作稳定性高，功耗小、响应迅速、抗电磁干扰能力强。
高压开关柜的新型数字式温度在线监测系统主要由电流互感器电源模块、温度测量模块、高位红外通讯模块、低位红外通讯模块以及现场监测模块组成。位于高压侧的温度测量模块及高位红外通讯模块体积小巧，安装简便，不影响开关柜的绝缘性能。
3.3基于光器件的开关柜温度在线监测
采用HFBR-1414光发送器和HFBR-2412光接收器可以进行可靠温度监测与远程通信，是一般通信方式无法替代的。对恶劣环境下实现低成本、低功耗的可靠通信具有一定的参考价值。
开发这种适用于监测高压开关柜触点温度的监测装置，其技术关键点：
1）高低压隔离问题。主回路带高压，测量装置低电压，采用光纤进行高低压隔离[1].
2）消除电磁干扰问题。屏蔽监测装置，将单片机剩余的I/O口设置成输出口.
3）降低功耗措施。监测装置采用一次性锂电池供电，需进行低功耗设计.采用低功耗高速光发射器件、间断采集处理信号、使单片机进入休眠状态.
4）装置性能稳定性措施。采用工业级高性能高灵敏度的元器件、工作温度-40e～+85e、适应恶劣环境、并引入软件冗余算法。
3.4基于S C A D A 系统高压开关柜在线监测系统
采用新的测温原理，从温度场的角度对开关柜内温度分布进行在线监测，改变了过去从“点”的角度对个别部件测温的方法。
该系统的设计原理是：通过数字温度传感器对高压开关柜运行状态的温度参量进行在线监测，对多台高压开关柜的实时温度进行横向比较，以及对某一开关柜的温度监测值进行纵向比较，利用监控中心計算机的智能诊断系统对高压开关柜的状态进行诊断，并对开关柜内关键部件进行状态评估和电寿命预测，从而对变电站运行提出指导，为电力调度提供参考，对有可能发生的故障做出预警。
结束语
综上所述，高压开关柜在我国电力系统的运行中起着十分重要的作用，实现高压开关柜的在线温度监测不仅有利于提高设备的运行效率，保证设备运行的安全，更能在一定程度上实现电力系统的正常供电，对我国工业的生产和人民的生活均有着十分重要的作用。
参考文献
[1]孙正来，孙鸣.高压开关柜温度在线监测技术研究[J].《电力信息化》，2008，（6）.
[2]宋梁，温秀峰.高压开关柜温度在线监测研究[J].《电气开关》，2012，（3）.
[3]祥忠.高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2007（2）： 73 -75.
[4] 孟庆民.高压开关设备的温度在线监测研究[J].高压电器，2006，42（ 5）：352-354.