黃日泉 李新海 曾令誠 林蔚 侯偉 朱文吉 周恒

（廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局）

0 引言

10kV開關柜在發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制和保護等作用。10kV XGN型開關柜是其中一種，主要由真空斷路器、上側(cè)隔離刀閘、下側(cè)隔離刀閘、電流互感器等元器件組成。10kV XGN型開關柜的優(yōu)點是柜內(nèi)空間較寬敞，檢修容易，成本較低，易于制造，可將設備、母線故障限制在局部范圍之內(nèi)，能避免事故擴大，提高開關柜的運行可靠性，但是隔離刀閘觸頭容易發(fā)熱，因為在長期運行過程中可能出現(xiàn)設備老化，緊固螺栓松動，接觸面氧化腐蝕等問題，從而導致接觸電阻增大而引起接觸部位發(fā)熱，加上很多10kV XGN型開關柜長期重載運行，也會引發(fā)高溫異常。若發(fā)現(xiàn)不及時可燒熔連接部件并引發(fā)短路故障，造成開關跳閘，降低了10kV供電可靠性。因此很有必要利用各種技術方法對10kV XGN型開關柜進行溫度測量和數(shù)據(jù)分析，以便及時發(fā)現(xiàn)設備隱患，采取預防措施，避免事故發(fā)生，從而提高電力系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。

以往，變電站10kV XGN型開關柜設備溫度監(jiān)測手段有粘貼試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫儀測溫、有源無線測溫等三種主要方式，其優(yōu)缺點如下表所示。

表 各種測溫手段優(yōu)缺點

通過上表可以看出以往測溫方式存在現(xiàn)場測溫工作量大，風險高，需定期維護等問題。本文針對10kV XGN型開關柜發(fā)熱問題，提出一種基于聲表面波溫度傳感器技術的無源無線式在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)溫度傳感器采用無線傳輸信號技術且無需工作電源、具有溫度采集精度高免維護的特點，有效解決以往粘貼試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫儀測溫、有源無線測溫等測溫方式存在的問題，實現(xiàn)了對10kV XGN型開關柜溫度的實時在線監(jiān)測、診斷、預警功能。

1 10kV XGN型開關柜發(fā)熱缺陷分析與危害

1.1 10kV XGN型開關柜發(fā)熱分析

10kV XGN型開關柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。正常運行中電流經(jīng)過上側(cè)隔離刀閘、真空斷路器、下側(cè)隔離刀閘。而對于一個電氣連接點來說，熱量計算公式為Q=I2Rt，其中Q為產(chǎn)生的熱量，I為通過截面的電流，R為接觸電阻，t為通流時間。因此當流過10kV XGN型開關柜的電流固定時，接觸電阻越大，其產(chǎn)生的熱量越高，溫度就越高。運行經(jīng)驗表明，10kV XGN型開關柜發(fā)熱多集中在隔離刀閘動、靜觸頭接觸部位，其發(fā)熱機理分析如下：

1）10kV XGN型開關柜隔離刀閘結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其靜觸頭采用片式觸指，動觸頭和靜觸頭座接觸僅靠彈簧壓緊，長時間運行后，由于彈簧壓力減弱，影響到觸指的接觸效果，接觸面積減少，從而造成接觸電阻增大，引起發(fā)熱。

2）10kV XGN型開關柜靜觸頭座和靜觸頭觸指采用窩槽方式連接，靜觸頭座與觸指靠半球接觸面接觸，可靠性不高，半球接觸面易變成點接觸，也會造成接觸電阻增大。

3）由于10kV XGN型開關柜隔離刀閘觸指僅用一顆螺絲加彈簧壓緊，在操作時容易造成位移，經(jīng)多次操作后難以保證隔離刀閘接觸面接觸良好；當動靜觸頭壓力不夠引起兩側(cè)接觸電阻不相等時，會有部分電流從螺栓處分流。由于螺栓的導電性很差，螺栓與靜觸頭座僅通過彈簧連接，接觸電阻較大，因此即使電流很小，螺栓發(fā)熱也會嚴重。這一方面加劇了接頭處的發(fā)熱，另一方面螺栓與彈簧在溫度較高時機械性能下降，又進一步造成靜觸頭夾緊力下降，使發(fā)熱現(xiàn)象更嚴重[1]。

4）動、靜觸頭接觸面長時間運行后，經(jīng)多次操作，動、靜觸頭的鍍銀層因工藝質(zhì)量不佳導致磨損或脫落，在接觸面上會形成一層氧化膜，也會增大接觸電阻，在大電流情況下該處的熱功率很大，造成發(fā)熱嚴重，進一步又加劇接觸面氧化，形成惡性循環(huán)。

1.2 10kV XGN型開關柜發(fā)熱危害

當10kV XGN型開關柜發(fā)熱溫度超過一定范圍后，將會使絕緣材料加速老化，絕緣強度降低，設備使用壽命縮短，同時還降低金屬導體機械強度，進一步惡化金屬導體接觸部位的狀態(tài)，使其接觸電阻增大，引起10kV XGN型開關柜溫度進一步快速升高。嚴重時可引發(fā)設備熔斷、絕緣擊穿、短路故障，甚至造成繼電保護越級跳閘從而使10kV母線失壓的電力安全事件，引發(fā)電力系統(tǒng)大面積停電，帶來巨大的經(jīng)濟損失，并造成不良的社會影響[2]。

110kV金里變電站10kV XGN型717開關柜內(nèi)部故障圖如圖3所示。其故障原因為柜內(nèi)元件接觸不良、長期發(fā)熱導致7174線路隔離刀閘CT側(cè)A相靜觸頭座的觸指壓緊彈簧螺栓因發(fā)熱熔斷，共4片觸指燒熔掉落，與7174線路隔離刀閘CT側(cè)A相靜觸頭座之間產(chǎn)生單相對地放電，隨后迅速發(fā)展為三相短路，短路電弧產(chǎn)生的高溫使故障立即蔓延至同一室的717開關母線隔離刀閘側(cè)，造成717開關母線隔離刀閘側(cè)三相短路，限時電流速斷保護動作跳717開關，#2主變552A后備保護動作跳552A開關，10kV2M母線失壓，導致大規(guī)模停電，故障損失負荷18MW。鑒于10kV XGN型開關柜發(fā)熱產(chǎn)生短路故障后果嚴重，有必要對10kV XGN型開關柜隔離刀閘動觸頭與靜觸頭接觸部位進行溫度在線監(jiān)測、診斷、預警，及時發(fā)現(xiàn)設備發(fā)熱隱患。

10kV XGN型開關柜隔離刀閘實物圖如圖4所示，可以看出一把隔離刀閘的動觸頭與靜觸頭接觸部位有6個，而10kV XGN型開關柜配置2把隔離刀閘，因此對于一面10kV XGN型開關柜來說動觸頭與靜觸頭接觸部位有12個，需在線監(jiān)測溫度點位為12個。

2 10kV XGN型開關柜無源無線式在線測溫系統(tǒng)設計

為了更好地對10kV XGN型開關柜隔離刀閘動、靜觸頭接觸部位進行溫度在線監(jiān)測，本文提出的10kV XGN型開關柜無源無線式在線測溫系統(tǒng)由溫度傳感器、溫度采集收發(fā)器天線、溫度采集收發(fā)器、站端無源無線測溫管理裝置、無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站組成[3]，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計見圖5。

溫度傳感器安裝在隔離刀閘靜觸頭上，在線采集測量點溫度，溫度傳感器收到溫度采集收發(fā)器射頻信號后在其表面形成聲表面波，該聲表面波的頻率受到溫度的影響會發(fā)生變化，溫度傳感器通過其叉指換能器將帶有溫度信息的該聲表面波轉(zhuǎn)化成射頻信號后反射至溫度采集收發(fā)器，從而完成測溫點溫度采集。

溫度采集收發(fā)器安裝在10kV XGN型開關柜的二次室內(nèi)，通過溫度采集收發(fā)器天線發(fā)射無線脈沖信號給溫度傳感器，并接收反饋回來帶有溫度信息的射頻信號，然后通過485通訊模塊向站端無源無線測溫管理裝置傳送10kV XGN型開關柜12個點測溫的溫度數(shù)據(jù)。

站端無源無線測溫管理裝置安裝在變電站內(nèi)，與溫度采集收發(fā)器通訊，收集全站10kV XGN型開關柜在線測溫數(shù)據(jù)，對本站設備運行溫度數(shù)據(jù)進行管理，具備數(shù)據(jù)查詢功能（實時測溫數(shù)據(jù)、歷史測溫數(shù)據(jù)、超溫告警數(shù)據(jù)）、溫度巡檢功能、報表生成等功能，通過網(wǎng)絡將測溫數(shù)據(jù)上傳至無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站。

無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站安裝在變電管理部門，收集并管理所有管轄變電站內(nèi)站端無源無線測溫管理裝置數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)主站具備實時測溫數(shù)據(jù)監(jiān)控、實時通訊、歷史測溫數(shù)據(jù)查詢、發(fā)熱告警、報表管理、用戶管理、系統(tǒng)設置等功能。該系統(tǒng)主站還可根據(jù)設定的溫度告警定值將發(fā)熱缺陷發(fā)短信到運行值班手機進行預警。系統(tǒng)具有很好的開放性及可擴展性，能與其他網(wǎng)絡互通互聯(lián)，并根據(jù)需要可方便擴展接入測溫變電站及測溫設備。

3 關鍵技術

3.1 聲表面波技術

溫度傳感器采用聲表面波技術將接收到溫度采集收發(fā)器的射頻信號通過溫度傳感器的壓電材料轉(zhuǎn)化為聲表面波，然后將受到溫度影響的聲表面波轉(zhuǎn)回射頻信號反射至溫度采集收發(fā)器而獲取溫度數(shù)據(jù)的測溫過程，只涉及電信號與機械波的相互轉(zhuǎn)換，并不需要電池或外部電源供電，這使其與傳統(tǒng)測溫方式相比有無需電源，維護方便，能耗小，使用壽命長等突出優(yōu)勢。同時溫度采集收發(fā)器與溫度傳感器采用無線方式連接，溫度信息通過溫度采集收發(fā)器天線實現(xiàn)無線方式傳遞，避免了溫度采集收發(fā)器與高壓設備直接連接帶來的安全隱患。溫度傳感器由壓電材料構(gòu)成，能承受高電壓、大電流、高溫、高電磁輻射等環(huán)境的影響，具有其他材料不可比擬的優(yōu)勢，利用聲表面波技術，實現(xiàn)了無源無線測溫。

3.2 精確測量技術

為了解決在10kV XGN型開關柜內(nèi)狹窄區(qū)域信號傳輸困難，且存在電磁干擾的問題，該系統(tǒng)采用了433MHz射頻信號通訊，能繞開障礙物，使無線信號傳輸距離不少于2m，滿足了在10kV XGN型開關柜有效傳輸距離的要求，并減少了測量誤差。受溫度傳感器聲表面波器件熱敏感特性影響，傳遞的信號反映了溫度變化信息，該信號的諧振頻率隨溫度的改變而改變，且在一定的溫度范圍內(nèi)呈線性的關系[4]（見圖6），因此利用這種線性關系就可以通過獲取聲表面波的頻率信息從而得到精確的測量溫度。

3.3 延遲線技術

以往國內(nèi)聲表面波測溫技術面臨區(qū)域內(nèi)多傳感器同時應用識別難，定位難的問題。本系統(tǒng)應用延遲線技術，每個溫度傳感器有4條反射器，可以形成4位的識別碼，收發(fā)器每隔12μs。發(fā)射一個1μs的詢間脈沖，經(jīng)過傳感器反射回一組編碼脈沖。若對應位為1，則對應反射器反射回波，若為0則不反射。這樣由有無回波脈沖就可以判斷出該位為1或者 0。編碼為1的返回脈沖比編碼為0的返回脈沖大 20dBm左右，通過信號的處理可以得到很低的誤碼率，可以快速準確地識別目標傳感器。最多能夠識別16個不同編碼傳感器，滿足了10kV XGN型開關柜12個不同測量布點需求。

3.4 智能診斷技術

10kV XGN型開關柜無源無線式在線測溫系統(tǒng)實現(xiàn)了變電設備的溫度在線數(shù)據(jù)集中采集、統(tǒng)一上傳。同時在該監(jiān)測平臺上，通過豐富的表格、曲線、柱狀圖、報表等數(shù)據(jù)統(tǒng)計形式，對隔離開關動、靜觸頭接觸部位的運行發(fā)熱數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，對同一測溫點歷史溫度數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ饶軌蛴行Х治觥⒃\斷設備發(fā)熱趨勢；對多個相關測溫點數(shù)據(jù)橫向比較，找出異常發(fā)熱設備，并支持將數(shù)據(jù)導出和保存功能。通過溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的縱橫對比，及時發(fā)現(xiàn)設備發(fā)熱缺陷，有效保證系統(tǒng)可靠運行。

4 應用實例

4.1 應用情況

本文提出的無源無線式在線測溫系統(tǒng)已安裝應用于中山市110kV文安變電站（簡稱“文安站”)。文安站有33面10kV XGN型開關柜共66把隔離刀閘，該站配有無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站1臺，站端無源無線測溫管理裝置1臺，每面10kV XGN型配有溫度采集收發(fā)器1個，共計33個溫度采集收發(fā)器，每把隔離刀閘配有溫度傳感器6個，共計396個溫度傳感器。

4.2 應用效益

無源無線式在線測溫系統(tǒng)的應用實現(xiàn)了對10kV XGN型開關柜內(nèi)關鍵部位溫度的實時在線監(jiān)測、診斷、預警功能。經(jīng)濟效益計算如下：

1）該系統(tǒng)投運后，代替了對10kV開關柜的人工測溫工作，按平均每站每月3次、每次3人外加一部車輛、每站測溫工作時間為0.5天計算，節(jié)省了大量的人工成本，并保障了人員的安全。

2）自投運以來，該系統(tǒng)累計發(fā)現(xiàn)三項10kV XGN型開關柜隔離刀閘發(fā)熱缺陷，并及時通過預警短信通知運行人員消缺，避免了三起因隔離刀閘發(fā)熱處理不及時而造成的開關柜短路爆炸及母線非計劃停電的設備事故發(fā)生，對提高10kV用戶供電可靠性發(fā)揮了重要作用。

10kV XGN型開關柜無源無線式在線測溫度監(jiān)測系統(tǒng)項目的實施，不僅簡化了原有的變電站設備巡檢流程，同時還節(jié)省了變電站定期巡檢的人力成本。把變電站的設備管理提升到遠程監(jiān)控、遠程管理的水平，使設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)更加及時、準確。可以有效促進變電站一次開關設備運行狀況的科學管理、科學規(guī)劃，為設備檢修提供科學依據(jù)，實現(xiàn)由計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，降低了設備事故風險，減少了停電次數(shù)，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)束語

針對10kV XGN型開關柜以往測溫存在問題，本文采用無源無線式在線測溫系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測手段不能直觀、實時、有效地監(jiān)測設備發(fā)熱狀況的問題，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測、診斷、預警設備發(fā)熱隱患的目標，且溫度傳感器終身免維護，無需停電維護。通過對10kV XGN型開關柜關鍵部位進行溫度在線監(jiān)測、診斷，可有效預防10kV XGN型開關柜內(nèi)設備發(fā)熱導致的設備事故發(fā)生，能有效降低一次設備故障率，極大提高運行人員工作效率，提升變電運行部門設備管理水平，提高10kV用戶供電可靠性，保障人身設備安全。