手车式开关柜发热分析及检测检修要点

王晓峰 陈向全 曹立爽

摘要：10kV手车式开光柜内动静触头接触部位、电缆头搭接部位和母线搭接部位等导电薄弱环节在运行中可能会产生发热缺陷，如不能及时发现并处理，会引发严重故障，造成大面积停电。文中首先介绍了手车式开关柜中不同部位的发热机理及检修处置要点，在此基础上，又分析了手持红外测温技术、光纤传感器测温技术、有源传感器无线测温技术和无源传感器无线测温技术的优缺点，并结合10kV手车式开关柜结构、巡视及检修维护的特点，提出了10kV开关柜内温度在线监测技术优化组合方案，可大大提高10kV开关柜的运行可靠性。

关键词：手车式开关，测温，发热机理，检修要点

0  引言

手车式开关柜凭借着其体积小、结构紧湊、操作方便等优点在变、配电系统中获得了广泛的应用。开关柜在长期运行过程中，其内部的动静触头接触部位、电缆搭接部位和母线排连接部位等导电薄弱环节容易受环境温湿度、机械振动等因素的影响而出现氧化腐蚀、松动的现象，导致连接处接触电阻变大而发热。手车式开关柜为金属全封闭结构，单纯的人工巡视检查也很难及时准确地发现问题。发热缺陷如果不能及时发现并处理，很容易造成开关柜损坏，甚到出现“火烧连营”大面积停电的严重事故。因此寻找一种能够快速、准确检测到开关过热故障的手段是一个亟需解决的重要课题。

1 发热机理分析

1.1 动静触头氧化发热

为了增强动静触头的导电能力，动静触头表面均要求有一层厚度不低于20μm的镀银层，正是由于镀银层的存在，新出厂开关柜的回路电阻可以做到50μΩ左右。随着运行年限的增加或者周围环境的改变，开关柜动静触头表面的镀银层会逐渐劣化生成厚厚的氧化层，动静触头的接触电阻会异常升高，甚至能够达到300μΩ以上，造成设备在额定负荷下都会异常发热。

银的化学性质比较稳定，但是对空气中SO₂和H₂S等硫化物非常敏感，当空气H₂S和SO₂的浓度达到十几个ppm时就会产生腐蚀，生成黑色的Ag₂S和白色的Ag₂SO₃物质，着反应的进行，镀层表面颜色也逐渐由亮白色向深灰色及黑色发展，使动静触头接触电阻异常升高。

为了防止动静触头的镀银层长时间和空气中硫化物接触造成腐蚀，可以在动静触头表面涂刷一层薄薄的医用凡士林，并且在每次停電检修中要仔细观察凡士林的状态，对于已经变干发黑的凡士林，用酒精清洗干净之后重新涂抹。对于动静触头镀银层已经发生明显氧化反应的老开关，通常用极细砂纸（1000目左右）对氧化层处进行仔细打磨，然后用无尘布反复擦拭以祛除表面的微颗粒，然后再涂上凡士林。

1.2 动静触头间压紧力不足、接触不良

动触头通过其若干触指在不锈钢弹簧钢丝的紧固作用下将自身触臂与静触头相连形成高压开关柜内重要的过流部件^[1]，是整个开关柜导电回路中的薄弱环节，如果该部位出现压紧力不足、接触不良的问题，将会造成极其严重的后果。国网公司已经发生过多起由于动静触头搭接不良导致开关柜烧毁事故，因此非常有必要找到相应的预防措施和解决方案。

通常有两种情况可造成静触头和梅花触头之间压紧力不足：一是未按照设计要求对开关柜内部手车式断路器的动、静触头进行安装调试，造成手车式断路器的动、静触头发生 “虚接”现象。断路器手车操作至运行位置时不到位、动触头的梅花触指与静触头不对中，受力不均匀，插入深度不够（不满足技术文件规定15～25 mm要求），导致动、静触头之间接触电阻过大，致使开关柜发热。二是梅花触头的不锈弹簧钢丝材质不合格，弹簧中锰含量超标时会降低其使用寿命，使弹簧在长时间的拉力作用下更容易产生疲劳甚至断裂，直接影响到触指压力，严重时可烧损梅花触头。

为了避免上述现象的发生，一方面要加强设备施工以及后期检修时的质量管控，保证动静触头的同心度在合理的偏差范围之内。

二是依据国标，加强梅花触头外围不锈钢弹簧钢丝的材质检测，对新入网的开关柜要严格把关，成分不合格的产品进行退货，对已经投运的开关柜，建议每 2 个大修周期全部更换弹簧钢丝，避免其疲劳或断裂而导致接触不良的情况发生。

1.3 开关柜过于紧凑、散热不良

目前有些厂家为到达招标文件中规定的防小动物、防尘、防爆等级，将开关柜设计过于紧凑，众多部件被一起设计至狭窄的柜内，其热量容易集聚，还有一些开关柜的散热风道设计有缺陷，甚至其顶部根本没有设计散热片，有些早期的3150A总路开关柜是没有散热风机的，其热量不易散去^[2]。无论是目前还是将来，开关柜的紧凑型设计都是一个大的趋势很难得到改变。

在产品采购时要求厂家出示温升形式实验报告，保证设备散热通道设计合理。对于已经投运的变电站，对没有安装风机的总路开关进行改造，在小车室底部、顶部各加装一个轴流风机，一进风，一出风，柜体的适当位置上开散热百叶窗，形成散热通道，有效的将原本封闭的母线室热气排出。

除了上述方案，也可以考虑在开关柜运行的外部环境上做文章。重庆市北公司在所管辖变电站所有的10kV开关室的对角线上安装两台大功率空调，保证开关室内温度常年保持在一个很低水平，即使在迎峰度夏期间，开关室的环境温升也不会超过30℃，帮助开关柜内热量通过柜体快速传递出去。对于负荷特别重的的回路，还可以在开关柜的前后柜各摆放一个大风扇，加速将热量散出柜外。通过上述的这些技术改造，近几年迎峰度夏期间开关柜出现烧损的概率明显降低很多，对电网的可靠运行提供了强有力的保障。

1.4 导电回路搭接部位搭接不规范、螺丝松动

开关柜的导电回路中，除了动静触头连接处外，导电排与导电排，导电排与电缆头、导电排与静触头之间的螺丝搭接部位均是容易出现发热的薄弱环节，在开关柜的烧毁事故原因中均占有很高的比例，所以这些部位的搭接质量把控在新投验收、停电检修中必须引起足够的重视。

搭接质量不良，一是设备在安装过程中没有使用力矩扳手，导致母排间或者引流排和电缆之间压紧程度不够，个别搭头处接触电阻过大发热。二是安装工艺不佳或者使用的螺栓材质不合格，施工过程中母排或者电缆接头打孔偏大，紧固螺丝内径小，中间加垫片尺寸偏大，导致垫片间相互接触^[1]。由于紧固螺栓及垫片具有很高的导磁率，当铜排两侧平垫片与同侧其他平垫片接触时，平垫片及螺杆形成一个完整的磁通路。当母排中有大电流流过时，在闭合回路中感应产生涡流，从而造成螺栓发热。

要加强新设备安装工艺的管控，在材料选择上尽量选择低导磁率的奥氏体螺栓，母线紧固螺栓采用M16 mm规格的 8.8 级螺栓，螺栓及附件平、弹簧垫片均采用烧蓝工艺处理，压紧螺栓用力矩扳手按照电力标准紧固。安装过程中满足《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》中“贯穿螺栓连接的母线两外侧均应有平垫圈，相邻螺栓垫圈间应有3mm以上的净距”的相关要求，竣工验收时对接头处的螺丝紧固情况进行适当数量的抽检，确保安装质量。对于已经投运的设备，每次停电检修都要重点检查搭接处紧固情况，针对主变进线柜等大电流母排，把母排上螺栓是否形成闭合回路作为检查项之一。

2  10kV开关柜发热检测、检修要点

1.1 动静触头氧化发热

1）对于新安装投运设备，按照相关规程，检测动静触头的镀银层厚度及硬度，要求镀银层厚度不低于20μm，硬度不低于120维氏硬度。设备投运前，在动静触头表面涂一层中性凡士林，防止镀银层在空气中被逐渐氧化腐蚀。

2）对于运行多年的老设备，停电后要认真检查动静触头的表面磨损、氧化情况，如果镀银层出现腐蚀痕迹，可以用细砂纸打磨干净。处理完毕后，用回路电阻测试仪测试动静触头的接触电阻，从而判断设备是否满足投运条件。

3）如果动静触头表面已经严重发黑、氧化腐蚀层很厚，不具备打磨修复的条件，建议整体更换。

1.2 动静触头间压紧力不足、接触不良

1）对于新投设备，加强梅花触头外围不锈钢弹簧钢丝的材质检测，对新入网的开关柜要严格按照国标 GB /T24588—2009 不锈弹簧钢丝进行把关，对成分不合格品进行退货。

2）加强动静触头插入深度、同心度的检查，避免出现“虚接”。

3）每次停电检修，要重点检查梅花触头的弹簧状态，观察弹簧是否异位，是否有过热退火、疲劳断裂的情况发生，弹簧的弹力是否充裕，如果发现异常，必须进行更换。

4）检查梅花触头的触指是否异位变形，轻微变形可以进行修复，严重变形建议更换。

1.3 导电回路搭接部位搭接不规范、螺丝松动

1）检查螺栓的弹簧垫片是否压平，紧固螺母是否松动，条件允许的话，可以用力矩扳手逐个检查。

2）检查孔洞与螺栓的尺寸是否匹配，施工中打孔偏大或者垫片过小都会引起发热。

3）检查螺杆的长度是否合适，安装完毕后，螺杆是否露出螺母3个以上丝牙。

4）贯穿螺栓连接的母线两外侧均应有平垫圈，相邻螺栓垫圈间应有3mm以上的净距，避免形成闭合磁通路引起涡流损耗。

3  10kV开关柜温度监测技术分析

目前，10kV开关柜主要的测温方式有手持红外测温、光纤测温、有源传感器无线测温、声表面波无源传感器无线测温等温度监测技术。上述各种测温技術的工作原理、适用范围和优缺点如下：

3.1手持红外测温

目前所有的10kV开关柜前后观察窗均采用的是普通钢化夹胶玻璃，大部分红外线会在钢化玻璃反射回去，透光率很低，温度测量存在很大的误差，需要在开关柜的特殊位置添加红外窥视窗口才能实现精准测量。但是10kV手车式开关柜由于特殊结构，柜内元件布置紧凑，存在遮挡，即使加装窥视窗口，由于开关档板、活门档板的遮挡，也无法观察到动静触头运行情况，目前仅仅实现对电缆头处的温度测量。

3.3  光纤测温

光纤测温传感器是根据某些特定物质吸收光谱随温度变化而变化的特征制作而成，通过对光纤传输回来的反射光谱进行频谱分析可获得测试点的实时温度。由于特定物质所吸收的光谱漂移量随着温度的变化会呈现出线性对应关系，故可以通过吸收光谱漂移量通过一定的公式折算出温度的变化量。

光纤测温的优点是具有很高的灵敏度、不受电磁干扰，耐腐蚀、传输通道可弯曲。

其缺点是，光纤材质较脆容易折断，安装及后期维护工作时需十分谨慎，且安装及维护成本较高;其次，虽然光纤本身具有较好的绝缘特性，但是长时间在高电压环境下容易因表面的污秽而导致爬电现象的发生。

3.4  有源传感器无线测温

有源传感器无线测温系统主要由有源温度传感器、信号发射模块、无线数据接收模块、监测后台及软件组成。目前在电力领域广泛应用的有源温度传感器有半导体温度传感器和热敏电阻温度传感器。将有源温度传感器安装于手车开关的动静触头接触部位、母排搭接部位和电缆头等导电薄弱位置，监测上述位置的温度，通过信号发射模块将温度信息发送至无线数据接收模块，然后上传至监测后台，可以实现温度实时在线监测、诊断、预警的功能。

技术优点：半导体传感器体积小、安装方便，不用考虑高压绝缘问题;有源传感器输出信号强，温度漂移可控，测温精度高。

技术缺点：半导体元件阻抗高，在大电流环境中易产生感应电压，导致器件内部绝缘击穿损坏;需定期停电更换电池，增加了维护量。

3.6  声表面波无源无线测温

声表面波传感器由安装件、声表面波感温器件和天线组成，尺寸在1cm左右，可以通过螺栓固定在需要测温的部位。系统主要由声表面波无线测温探头（传感器）和基于雷达原理的温度读取器组成。声表面波测温器件为纯无源器件，不带电池，避免了电池高温爆炸和泄露的隐患;无线方式不影响高压绝缘，避免有线方式的“爬电”绝缘问题，可靠性更高。

该种测温技术的缺点：采用声表面波测温技术的无源传感器发出的无线电磁波信号较弱，且遮挡物对信号传输有影响，基本不适合被活门档板严重遮挡的动静触头部位的测温。

3  手车式开关柜内设备测温技术方案

考虑到手车式开关柜结够的特殊性，上述的每一种测温方式都有一定的适用范围，很难通过单一的某种测温方法实现对柜内所有部位的精确在线监测，因此本文提出适用于10kV手车式开关柜的组合式测温方式（见表1），具体如下：

1）手持紅外测温技术适用于移开式10kV开关柜电缆接头连接部位，通过在对应的开关柜功能室门加装红外测温窗即可实现测温。

2）光纤测温技术在手车式开关柜内还是具有非常高的应用前景的，在使用过程中要特别注意光纤的布置方式，最好能够把其直接浇筑绝缘构件（比如静触头盒）内，目前该技术在某些供电公司已经有一定的应用并取得不错的效果。

3）无源传感器无线测温技术和有源传感器无线测温技术均为无线测温技术，根据分析，无源传感器无线测温技术相比有源传感器无线测温技术，信号较弱，但实现了免维护，特别适合用于停电困难的开关柜设备，考虑温度监测的准确性及减轻投运后维护工作量，有源传感器无线测温技术适用于移开式10kV开关柜开关小车触头接触部位，无源传感器无线测温技术适用于手车式开关柜内母线室导电排搭接部位和电缆接头连接部位，可实现上述部位温度实时在线监测、诊断、预警功能。

以上几种测温技术组合使能够很好地解决手车式开关柜内设备温度监测难题，及时预警、处置设备过热缺陷，保障设备安全可靠运行。

4  结束语

10kV手车式开关柜是变电站中重要设备之一，其发热如不及时处理可能引起跳闸甚至烧毁的严重事故，对电网供电可靠性造成不良影响。本文对10kV手车式开关柜内关键部位的发热机理及检修要点进行了阐述，在此基础上，分析比较了几种常见的温度监测技术的优缺点，提出了手车式开关柜内温度监测技术优化组合方案，实现了对10kV手车式开关柜内关键部位的温度有效监测，可有效预防开关设备发热导致的设备事故发生，对提升了设备运维管理水平及提升用户供电可靠性具有重要意义。

参考文献

[1] 涂刚. 一起10kV封闭式开关柜母排发热缺陷的分析与处理[J]. 电工技术， 2018， 482（20）：40+46.

[2] 孟晨旭， 李新海， 范德和， et al. 变电站10kV开关柜温度监测技术分析与应用[J]. 电器工业， 2019（12）.