高压开关触头温度实时监测技术的分析

高压开关触头温度实时监测技术的分析

李鑫王伟张敏刘蕾赵博董永星韩天旗

（西安高压电器研究院有限责任公司陕西西安710077）

摘要：高压开关设备是极其重要的电器设备，其内部通常有动静触头和固定连接。由于这些接触部件长期处于高电压、大电流的工作状态，只要触头或连接的接触电阻有增大，都会引起触头或连接处温度升高，如果没有及时处理，将会导致烧毁高压开关柜，进而直接影响电力系统正常供电而造成巨大的经济损失，本文通过列举现实案例，对触头温度在线监测技术进行详细阐述，并对高压开关触头温度实时监测技术进行了试验验证。

关键词：高压开关；触头温度；监测技术；光纤测温

引言

经济的高速发展促进着现代电力朝着智能化方向不断发展。智能化电网的搭建，对构成电网的基本元素如开关设备的智能化就显得十分重要。开关设备的智能化，就是对开关设备的运行状态进行在线监测，通过对设备的在线监测，对其发生异常做出及时的反应，达到电网智能化。

开关的触头允许温升比非接触处低很多。由于设计、装配或工艺等问题，有可能存在触头通流能力不足，配合不好导致虚接“打火”等问题，导致触头局部温度升高，其接触面会强烈氧化、锈蚀，甚至熔焊，触头一旦焊接，开关将丧失其功能，后果不堪设想。尤其在开关设备在运行中通过大电流时，更容易使得开关设备发生运行事故，因此对此部位的温度监测应该加以足够的重视，提前预防，可以达到对开关设备温升事故的控制。

1案例分析

对大量经营单位的调查结果显示，近些年因高压开关触头故障引起的停电事故频次高，每次解决事故时经营单位的生产都要暂停，甚至需要关掉总闸；更为严重的情况是引起跳闸故障，导致正在运行的设备因突然断电，严重破坏生产设备、造成人员伤害事故。

高压开关柜发生事故的原因可能有：1）.触头安装不到位；2）.使用时间长，断路器老化，导致触头发热；3）.轨道变形，引起触头接触松紧不同，造成局部回路电阻增大，温升加剧。所以对高压开关触头温度进行实时监测极其必要。

2测温方式

为保证温度在线监测仪测量数据稳定有效，实现高压开关设备温度在线监测，需要解决以下几个问题：

首先要解决高电压隔离问题。通常情况下可由空间隔离和光纤隔离措施，在空间隔离方面，可由无线电传送高压柜温度信号，它具有隔离彻底、性能可靠、抗干扰能力强等优势。

其次要解决电磁干扰问题。高压开关柜运行在高电压、大电流的状态，引起了磁场干扰，这很不利于微弱信号处理。在硬件上，为消除高频干扰，可以使用金属屏蔽和各级滤波；在软件设计上，可以用解码技术、数字编码，并结合软件滤波技术。

此外，为减小电场的影响，测温点要与检测器要在同一电位。

市场上对导体温度在线监测装置种类较多，主要有以下几种：

■红外测温系统

■无线测温系统

■有线测温系统

2.1红外测温系统

红外测温基于红外辐射原理，实现被测物体的温度测量，见图1。

红外测温为非接触式可视测温，需要知道被测物体的发射率，保证被测物体的辐射充分抵达红外探测器，尽量消除背景噪声。这种方式容易实现高、低压隔离，不影响测试设备的性能，安全，易于安装。

红外线发射测温有其弊端：

①由于电气设备内部空间狭小，发热点通常比较隐蔽，无法保证安装红外探头的安全距离，只能在可视的情况下测量设备表面温度；

②容易受环境温度和电磁场干扰，无法精准监测其运行的实际温度，从而导致设备超负荷运行；

③不易实现在线自动化监测监控，需要人工操作。

目前红外测温技术主要用于变电设备离线的温度巡检。

图1红外测温系统原理图

2.2无线测温系统

无线测温系统将采集到的温度信号，通过无线传输的方式，发送至接收装置，实现强弱电信号的有效隔离，其原理图见图2。该方式易于实现高、低压物理隔离，易于安装，测量精度满足开关设备要求。

图2无线测温原理图

根据无线测温传感器供电方式，分为电池供电的无线测温传感器、太阳能电池板供电和自取能无线测温传感器，见图3。

图3无线测温供电方式

由于电池不能耐受高温且隔几年需要更换电池，不适合结构紧凑封闭且环境温度较高的智能开关设备中，但适合户外的安装结构不受限制的敞开式开关设备；抗干扰能力较弱。

自取能的无线测温传感器，需考虑一次开关设备的绝缘要求，设计不同规格的取能线圈，以满足不同工作电流、不同直径圆形触臂和其他形状的要求。较电池供电的测温方式，该方式在开关柜测温中得到较好的应用。

2.3有线测温系统

本文有线测温系统指的是光纤测温系统，分布式光纤测温原理图见图4。

图4分布式光纤测温系统原理图

由于光纤探头小，采用光学原理的传感器件和光信号传输通道，有着良好的电磁不敏感性，传感器尺寸小，可靠稳定，易于在狭小的高压设备内部安装，如开关柜中的动、静触头结合处。能很好地适应高压和大电流的检测环境，从根本上解决电类、压力类及红外测温系统的缺陷，构成光纤传感器测温探头的材料绝缘性能、化学和机械性能极佳，特别适合应用于高压环境，不会给大系统带来负面影响。

光纤测温作为一个传感器，将测量的温度数据就地传输给开关设备就地的智能电子装置，方便由智能电子装置传输至配网自动化监控系统。光纤测温可用于高压电器设备内部温度的监测，也可用于发电机和变压器的温度监测。

2.4三种测温方式的比较，见表1

表1测温方式比较

通过三种测温方式的比较发现，光纤测温方式较其他两种测温方式有一定优势，故选用光纤测温作为高压开关触头温度实时监测。

3.光纤测温

3.1组网方式：目前光纤测温传感器可以作为一个独立的电子装置，在变电站内有两种使用方式。

方式一：全站内光纤测温装置独立组网使用

图5独立组网运行方式

方式二：作为传感器与其他智能电子装置融合设计

图6融合集成方式

3.2在高压开关设备中安装方式

光纤测温在动、静触头测温的安装方式有缠绕包扎和一体化浇注两种方式，见图7

图7光纤在开关设备中的安装方式

本文采用光纤捆扎式缠绕方式，对开关柜的动静触头温度监测进行了一定的验证。具体安装细节见图8。

图8光纤安装细节

最后，我们采用光纤和热电偶同时对开关触头进行温度监测，通过测温的结果发现，光纤的测温精度高，具体数据见表2。

表2光纤与热电偶比对测试

4、结束语

对开关触头温度进行实时监测是实现开关柜智能化和安全运行的重点手段之一。高压开关柜的触头发热故障对供电系统影响不容忽视，笔者展开了高压开关触头温度实时监测技术的相关研究，详细介绍了红外测温、无线测温和有限测温三种较为常见的测温方式，从安全、安装、精度等多个方面进行了比较，推荐采用光纤系统实时监测开关触头温度。并采用光纤式温度在线监测方式在开关柜中进行了验证，结果表明光纤测温方式能很好地解决高压柜触头温度测量困难的问题，精度高、容易直达热点，后期如能很好的解决光纤布局安装问题，推广应用前景将会非常广阔。

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