温升预警弧光防爆系统在开关柜中的应用研究

李小晖，樊晓苹，庞伟生，史建成，杨俊俊

（海北供电公司，青海 海北 812200）

温升预警弧光防爆系统在开关柜中的应用研究

李小晖，樊晓苹，庞伟生，史建成，杨俊俊

（海北供电公司，青海 海北 812200）

文章分析开关柜温升原因，提出利用无线射频技术从根本上解决开关柜温升的在线监测难题，并结合弧光防爆机制，防止事故扩大。

温升预警；弧光防爆；无线测温

近年来，随着电力负荷的高速增长，在电厂和变电站时常发生因开关柜发热造成火灾和大面积停电的事故。如何解决开关柜等电气设备发热的实时监测及发生故障时的快速切除，是杜绝此类事故发生的关键。为此文章提出建立电力设备温升预警与电弧光防爆相结合的机制观念，利用小巧的测温终端和无线射频技术对易发热部位进行实时监测，利用弧光传感器对连接点处弧光信号进行检测，保证电力设备的安全稳定运行。

1 开关柜温升故障

发电厂、变电站的高压开关柜中，众多高压电气设备连接点（如高低压电缆末端与断路器、变压器、电动机等电气设备或线路连接处的电缆终端头，开关柜内动、静触头等）是电能传输过程中的最薄弱环节。由于开关柜的特殊结构，这些薄弱环节的温度无法进行人工巡查和实时监测。当温升超过连接处材料的最大允许温度值时，就会引起发热故障，轻者引起开关柜动作性能降低，重者将会引起设备严重烧损事故[1]。如某220kV变电站主变低压侧开关柜由于长期超温，真空断路器绝缘拉杆性能逐渐劣化，最后失去其绝缘性能而引发单相弧光接地[2]。某主变10kV开关柜因发热引起开关柜爆炸[3]。

2 温升故障原因

众多事故表明电力设备温升故障都是在电能的传输过程中，因接触电阻增大，接触不良导致的。通常开关设备的温升取决于发热和散热两方面因素，同时与流过载流体的电流密度、材料、机械结构、接触面状况等因素相关。当开关设备通以正常工作电流时，由于电阻损耗、涡流损耗和磁滞损耗等，电能被转变为热能，其中一部分散失到周围介质中去，另一部分加热载流导体使其温度升高[4]。负荷的投入与切除，造成连接点处的温度不断变化，形成恶性循环：温升、膨胀、收缩、氧化。从而在长期的运行过程中造成金属腐蚀、金属磨损、被覆层失效、接头压力失当，导致接触电阻增大[5]，接触不良，温升加剧。

3 温升预警弧光防爆的必要性

数据表明，由于长期的累积效应，运行中的开关柜，当负荷达到满容量的70%时实际温升水平已超过试验室测出的温升数据[6]。因接触不良导致连接处的温度上升到一定程度时，设备绝缘便会急剧下降。当温度超过连接处绝缘材料的极限时，会使绝缘击穿，形成短路，产生电弧放电现象。只要两端的电压提供的能量足以补偿热损耗并维持适当的温度条件，电弧将会持续发生。发生弧光故障后，若没有及时采取措施，弧光冲击波以300m/s的速度爆发，在极短时间内（100ms）产生很大的损坏，摧毁途中的任何物质，损坏的程序和故障存在的时间长短成正比（见图1）。因此弧光是导致设备损坏的能量来源。

基于上述原因，需研发出一套同时具备温度实时监测预警与弧光保护功能的装置，从根本上解决上述隐患。

图1 故障与时间的比例图

4 温升预警弧光防爆装置系统

温度预警弧光防爆装置由无线测温单元、弧光单元、电流单元三大部分组成。

无线测温单元由无线温度传感器和无线信号接收单元组成。无线温度传感器由温度检测单元、控制单元和无线传输模块组成。金属式可拆卸式自取电和电池式两种结构。采用低电流启动技术（自取电式）和低功耗CPU技术，每一个传感器采用唯一性固定地址编码，确保相互间互不干扰，将信息发送给无线接收单元。安装于需监测温度的各连接点处，实现设备温度的实时在线监测。温度信号采用无线传输形式上传至接收单元，并在装置屏幕上实时显示。一旦出现温度异常情况，立刻上传报警，通知维护人员及时排除隐患，把故障消除在萌芽状态，达到防患于未燃的目的。为避免因无线信号受到干扰、无线温度传感器损坏等原因，造成温度突变，装置具备温度突变闭锁保护功能，确保装置不会温度突变误动作。

弧光保护单元中的弧光传感器安装于适当的位置，弧光探头正对各连接点，用于检测电弧光信号。防止温度快速上升，使设备绝缘降低，引发电弧光故障，造成人身和设备伤害事故。为防止采用单弧光判据时，装置误动作，弧光保护加入电流判据。在中性点不接地系统发生单相接地时，因接地电流的大小取决于系统运行方式，接地点阻抗等各种因素。采用“弧光+电流”保护判据时存在拒动的可能性。装置在弧光保护中新增“弧光+零序电压”、“弧光+零序电压+电流”判据。

电流单元主要用于监测设备运行电流，并配置三段式过流保护和过负荷保护，另一方面与弧光保护配合，构成弧光保护动作双判据。

5 产品特点及适用范围

主要特点：①实时性：可以在线监测温度变化，无需人工现场测量；②安全性：无线传输，无连接导线，不用现场维护，安装方便；③低功耗：无线传感器，采用低功耗设计，可稳定使用10年；④准确性：金属性外壳，快速反应实际温度，测量精度可达0.5℃；⑤经济性：温升预警+弧光防爆双重保护，从最大程度降低设备损坏程度，减少人员与设备成本投入。产品可应用于电力电缆头、高压开关柜系统、变电站系统、箱变系统等通过监测连接点处温度的运行情况，可实时跟踪设备运行状态，防止因接触不良导致温度上升，引发弧光故障，导致设备与人身伤害事故的发生。

[1]郭玉成,刘颖颖.35kV开关柜常见温升故障及处理措施探讨[J].电力科技,2012,(12):173.

[2]王帅.10kV高压开关柜烧毁事故分析[J].贵州电力技术,2011, (10):29-31.

[3]谢亮.运行中高压开关柜实际温升分析[J].电力安全技术, 2015,(10).

[4]贾一凡,王博,陆瑶,等.开关柜温升试验方法研究[J].高压电器,2013,49(8):87-91.

[5]方华林.防止接头发热的新材料[J].农村电气化,2006,(9):59-60.

[6]孙园,陈晓东,陈天翔.中压开关柜温升分析与估算[J].厦门理工学院学报,2015,(1):45-50.

V351.31

A

2096-2789（2016）12-0116-02

李小晖（1984-），男，湖南郴州人，助理工程师，研究方向：继电保护。