康小平，胡元輝，林吉，鄭振華

(浙江寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315010)

1 引言

開關(guān)柜是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵主設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性具有重大影響。統(tǒng)計(jì)表明，20世紀(jì)90年代中國電力系統(tǒng)開關(guān)事故類型分布如下:機(jī)械故障(拒分、拒合、誤動(dòng))33.3%，絕緣故障37.3%，溫升故障(載流)8.9%，其他20.5%。因此，有必要對(duì)高壓開關(guān)柜的機(jī)械、溫升及絕緣狀態(tài)實(shí)施在線監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，防止事故發(fā)生［1］。

目前，開關(guān)設(shè)備的維修方式正向狀態(tài)維修方向發(fā)展，而在線監(jiān)測、診斷技術(shù)則是狀態(tài)維修的重要依據(jù)，同時(shí)也是提高設(shè)備運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)。

2 開關(guān)柜溫度監(jiān)測方法

目前，傳統(tǒng)的測溫方式主要采用粘貼示溫臘片、紅外成像等，但為了保證高壓開關(guān)柜較高的防護(hù)等級(jí)要求，開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件互相遮擋較多，有很多位置無法直接觀察到臘片熔化情況或者無法通過紅外熱像儀直接獲得相應(yīng)的紅外圖譜，而且紅外儀成本較高，因此傳統(tǒng)的測溫方式對(duì)開關(guān)柜還存在較多盲點(diǎn)。針對(duì)人工巡檢的不足，各科研院所和生產(chǎn)廠家開發(fā)了一系列新型的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測裝置，在一定程度上克服了人工巡檢的弱點(diǎn)。如紅外探頭測溫、接觸式測溫紅外線傳輸、無線傳輸、光纖測溫等，幾種測溫原理的優(yōu)劣比較如下。

2.1 紅外探頭測溫

采用紅外探頭測溫是在開關(guān)柜體上安裝若干紅外測溫探頭，通過接收電觸頭的紅外輻射來確定其溫度(如圖1所示)。但是此種方式容易受到開關(guān)柜內(nèi)部元件對(duì)外紅外輻射光路遮擋的影響，不能準(zhǔn)確得到觸頭溫度，雖然可以采取一定的校正，但紅外輻射的影響因素多具有事變性，無法一一校對(duì)，此外紅外測溫為非接觸式測溫，只能測設(shè)備表面的溫度，因而這種方式通用性較差，無法推廣使用［2］。

圖1 開關(guān)柜內(nèi)CT上接頭鋁排發(fā)熱

2.2 接觸式測溫、紅外信號(hào)傳輸

采用傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器(熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度傳感元件等)測溫，傳感器信號(hào)處理電路安裝在高壓母線上，電源通過感應(yīng)線圈從高壓母線獲得。測量所得信號(hào)經(jīng)數(shù)字編碼后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，由安裝于柜體低電位上的紅外接收管接收紅外信號(hào)，再通過解碼電路得到溫度數(shù)據(jù)。此種方式需要將溫度檢測器和獲取電源的感應(yīng)線圈安裝于高壓母線上，這在空間狹小的開關(guān)柜內(nèi)部安裝較為困難，同時(shí)有可能減小開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣凈距。

2.3 接觸式測溫、無線信號(hào)傳輸

同樣采用熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度傳感元件實(shí)現(xiàn)測溫，傳感器需要通過高品質(zhì)的電池供電，以實(shí)現(xiàn)與中間處理單元的無線數(shù)據(jù)傳輸，中間處理單元通過網(wǎng)絡(luò)方式，采用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)分析及報(bào)警功能，由于采用電池供電，維護(hù)工作量較大，同時(shí)這種方式測試精度較低，抗電磁干擾性能較差。常見無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)

2.4 光纖測溫

光纖測溫的關(guān)鍵部件是溫度傳感器，包括分布式光纖溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器等。光纖溫度傳感器是光纖傳感器中發(fā)展最快的一個(gè)分支，它取代傳統(tǒng)的溫度傳感器，如電阻應(yīng)變片，與電阻應(yīng)變片相比，光纖傳感器具有體積小、重量輕、不受電磁干擾、抗輻射、分布式測量等顯而易見的優(yōu)勢，所以它特別適合在易燃、易爆和強(qiáng)電磁等特殊的場合應(yīng)用。

3 開關(guān)柜局部放電監(jiān)測方法

開關(guān)柜的可靠性的統(tǒng)計(jì)表明，電氣故障最通常的特征是在完全擊穿前發(fā)生局部放電。而開關(guān)柜內(nèi)部由于制造時(shí)出現(xiàn)毛刺、安裝運(yùn)輸時(shí)部件松動(dòng)或接觸不良引起的電極電位浮動(dòng)、運(yùn)行中絕緣老化以及各種情況下可能出現(xiàn)金屬微粒等各種缺陷都可能導(dǎo)致不同程度的局部放電。長期的局部放電使絕緣劣化損傷并逐步擴(kuò)大，進(jìn)而造成整個(gè)絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅，導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障。

顯然，對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測能夠有效地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部早期的絕緣缺陷，以便采取措施，避免其進(jìn)一步發(fā)展，提高開關(guān)柜的可靠性。局部放電檢測技術(shù)不僅可以彌補(bǔ)耐壓試驗(yàn)的不足，而且通過局部放電在線監(jiān)測能發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜制造和安裝的“清潔度”，能發(fā)現(xiàn)絕緣制造工藝和安裝過程中的缺陷、差錯(cuò)，并能確定故障位置，從而進(jìn)行有效的處理，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，對(duì)開關(guān)柜局部放電實(shí)施檢測具有十分重要的工程意義。

3.1 UHF局放監(jiān)測

局部放電超高頻檢測技術(shù)是一種非接觸的檢測方法，依據(jù)“場”的原理，通過天線傳感器接收局部放電過程中輻射的超高頻電磁波，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測。

局部放電超高頻檢測技術(shù)是局部放電檢測的一種新方法，近年來在國內(nèi)外得到了較快發(fā)展，并在電力設(shè)備如GIS、同步電機(jī)、變壓器、電纜等的檢測中得了應(yīng)用。超高頻檢測技術(shù)具有檢測信號(hào)頻率高，外界干擾信號(hào)少等特點(diǎn)，因而檢測系統(tǒng)受外界干擾影響小，可以極大地提高電氣設(shè)備局部放電檢測，特別是在線檢測的可靠性和靈敏度［3］。

超高頻法用于高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此這一測量技術(shù)發(fā)展很快，已在英國和法國的幾個(gè)400kV變電站中取得經(jīng)驗(yàn)。德國一些大學(xué)對(duì)此技術(shù)很感興趣，對(duì)接受UHF信號(hào)的天線進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。瑞士ABB高電壓技術(shù)公司在550kV的GIS試驗(yàn)裝置中對(duì)UHF法的適用性與靈敏度進(jìn)行了研究，并與常規(guī)的脈沖電流法作了對(duì)比。韓國已經(jīng)形成了比較成熟的基于傳感器技術(shù)的高壓開關(guān)柜局放監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用400～800MHz頻率范圍的超高頻傳感器，對(duì)柜體內(nèi)器件(如CT、PT)、母線連接處、支持絕緣子表面及開斷裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證(如圖3所示)。各國的研究均表明，UHF法用于高壓開關(guān)柜絕緣的在線監(jiān)測有很好的前景。

圖3 UHF局放監(jiān)測硬件處理結(jié)構(gòu)圖

3.2 地電波局放監(jiān)測(TEV)

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流在設(shè)備表面金屬上傳播。對(duì)于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時(shí)在設(shè)備外部無法檢測到放電信號(hào)，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號(hào)會(huì)由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼。因此，局部放電產(chǎn)生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關(guān)的襯墊傳出，并沿著設(shè)備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時(shí)對(duì)地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號(hào)，該現(xiàn)象由Dr.JohnReeves在1974年首先發(fā)現(xiàn)，并將其命名為暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)。

一般來說，單芯10kV電纜的阻抗約為10Ω，35kV的金屬外殼母線室的阻抗則約為70Ω，電纜或母線室發(fā)生局部放電產(chǎn)生持續(xù)10μs約100mA的弱電脈沖電流時(shí)，在金屬外殼上會(huì)出現(xiàn)1～7V的對(duì)地電壓。電壓、電流脈沖沿開關(guān)柜金屬外殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑?，遇開口、接頭、蓋板等處的縫隙傳出設(shè)備，再沿著金屬外殼的外表面?zhèn)鞑ブ链蟮亍Ｄ壳癟EV法檢測設(shè)備大都采用電容性探測器來檢測放電脈沖，其工作原理如圖4所示［4］。

圖4 TEV局放測量原理

3.3 紫外脈沖監(jiān)測

該方法基于紫外脈沖檢測原理，通過結(jié)合工業(yè)內(nèi)窺技術(shù)，針對(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)開關(guān)的絕緣缺陷引起的紫外光，研制一種紫外脈沖檢測儀，并最終形成在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)開關(guān)絕緣引起的光能進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)絕緣缺陷的定量分析，另外將模糊集理論應(yīng)用于高壓開關(guān)紫外輻射測量中，根據(jù)測量得到的設(shè)備紫外輻射值進(jìn)行絕緣缺陷和負(fù)荷過大的定量區(qū)分，進(jìn)行綜合模糊推理，形成一種絕緣狀態(tài)評(píng)估的新方法。監(jiān)測分機(jī)主要由電源模塊，紫外傳感模塊，信號(hào)及數(shù)字處理模塊以及通信接口模塊組成，如圖5所示。

圖5 紫外監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的核心為紫外傳感模塊，該模塊使紫外光經(jīng)過后，轉(zhuǎn)換為光電流脈沖輸出，輸出的頻率和幅度與入射紫外光成正比。采用高靈敏度的日盲型紫外傳感器，工作在UV－C光譜段，避免附件光源對(duì)傳感器的干擾。采用特定紫外線傳感器，可利用太陽盲區(qū)，使儀器工作在特定波長之間，而對(duì)其他頻譜不敏感，去除太陽輻射的干擾。此外這種型號(hào)光敏管抑止背景噪聲的能力較好，長時(shí)間工作穩(wěn)定性好，特別適合工作在高壓開關(guān)柜內(nèi)部的工作環(huán)境。

4 總結(jié)

本文對(duì)多種開關(guān)柜監(jiān)測方法進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，可為相關(guān)技術(shù)的研究人員和電網(wǎng)運(yùn)行人員提供參考。

［1］ 宋昊，崔景春，袁大陸.2004年高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析［J］.電力設(shè)備，2006，7(2):10 －14.

［2］ 董興海.金屬封閉柜內(nèi)帶電運(yùn)行設(shè)備局部放電檢測研究［J］.云南電力技術(shù)，2006，34(4):25 －26.

［3］ 張艷，田競，葉逢春，等.紅外傳感器的高壓開關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的研制［J］.高壓電器，2005，41(2):91 －94.

［4］ 任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態(tài)對(duì)地電壓法綜合檢測開關(guān)柜局部放電［J］.高電壓技術(shù)，2010，(10):2460 －2466.