張?jiān)婆螅Ｑ?，李義鵬，肖 睿，李艷山

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 前言

高壓開(kāi)關(guān)柜是石化企業(yè)電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備，根據(jù)不同的分類(lèi)方式，可分為戶內(nèi)式和戶外式，或固定式和移開(kāi)式。它將各種高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備部件、母線、支撐絕緣子等部件，在安裝現(xiàn)場(chǎng)裝進(jìn)外殼形成一整體，其內(nèi)部絕緣部分的缺陷或劣化、導(dǎo)電連接部分的接觸不良都會(huì)威脅其安全運(yùn)行。由于柜體密封，不利于散熱，而且長(zhǎng)期處于高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境，使得熱量集中，由此引發(fā)的設(shè)備過(guò)熱故障居多，特別是在高溫、高負(fù)荷期間，發(fā)生多起柜內(nèi)觸頭過(guò)熱、絕緣性能老化等原因引起的燒柜事故，主要集中在12～40.5 kV電壓等級(jí)。石化企業(yè)中普遍應(yīng)用的開(kāi)關(guān)柜如圖1所示。

圖1 石化企業(yè)中典型的開(kāi)關(guān)柜

1 開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱故障原因分析

近年來(lái)，隨著石化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，一些大電流開(kāi)關(guān)柜的過(guò)熱現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。究其原因，一方面由于負(fù)荷激增，導(dǎo)致負(fù)載電流過(guò)大；另一方面由于開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致柜內(nèi)某些接觸不良的部位發(fā)生過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)引起溫度遠(yuǎn)超閾值，最終因溫度異常升高造成絕緣損壞，誘發(fā)短路放電而燒毀開(kāi)關(guān)柜，引發(fā)停電事故。

在開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行中，導(dǎo)電回路是最主要的發(fā)熱來(lái)源。開(kāi)關(guān)柜中的發(fā)熱現(xiàn)象主要有3種發(fā)熱情況：①導(dǎo)體發(fā)熱。這種情況下過(guò)熱最可能出現(xiàn)的設(shè)備是配電供電裝置的主供電線路，不僅是由于主供電線路在運(yùn)行中需要長(zhǎng)期通過(guò)較高的負(fù)荷電流所以導(dǎo)致發(fā)熱明顯，此外由于生產(chǎn)主供電線路材料的工藝局限，制造出的主供電線路的電阻率比較高，所以主供電線路的發(fā)熱量會(huì)出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象。另外主回路的過(guò)度發(fā)熱是因?yàn)榛芈分薪佑|面出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕或者聯(lián)接的螺栓松動(dòng)導(dǎo)致接觸不良引起過(guò)度發(fā)熱；②接頭發(fā)熱。接頭發(fā)熱的部位主要有：刀閘的接頭部位、刀閘引線連接部位以及互感器接線板的連接部位，從而出現(xiàn)發(fā)熱量增大的現(xiàn)象；③渦流發(fā)熱。這種發(fā)熱是由于負(fù)荷電流產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)在開(kāi)關(guān)柜各類(lèi)金屬材質(zhì)的隔板、門(mén)板中產(chǎn)生的環(huán)流而產(chǎn)生的。由于發(fā)熱量同電流成正比關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷電流較大時(shí)，開(kāi)關(guān)柜的渦流發(fā)熱效應(yīng)就越明顯。

為便于散熱，開(kāi)關(guān)柜中都設(shè)計(jì)了散熱裝置。在正常運(yùn)行情況下，導(dǎo)體散發(fā)的熱量可以通過(guò)散熱裝置排出來(lái)保證開(kāi)關(guān)柜中各個(gè)元件的正常運(yùn)行。但是當(dāng)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行出現(xiàn)了異常，發(fā)熱量超過(guò)了其設(shè)計(jì)的能夠排出的量，就會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度快速升高，高溫影響絕緣材料壽命，加速元器件損耗，發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成事故。典型的開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱故障如圖2、圖3所示。

圖2 開(kāi)關(guān)柜銅排過(guò)熱引發(fā)周?chē)^緣層脫落柜

圖3 開(kāi)關(guān)柜觸頭過(guò)熱引發(fā)的“燒柜”事故

2 解決方案

目前，高壓開(kāi)關(guān)柜采用的監(jiān)測(cè)或巡視系統(tǒng)大多是固定閾值報(bào)警的方式。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)值或巡視數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的報(bào)警閾值相比較，若實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)小于報(bào)警閾值，則電力系統(tǒng)工作正常；反之，工作異常。但是工程實(shí)際中存在這樣的矛盾：若把閾值設(shè)置過(guò)高，當(dāng)監(jiān)測(cè)值大于閾值時(shí)，有些故障已經(jīng)惡化；若把閾值設(shè)置過(guò)低，往往又會(huì)頻繁產(chǎn)生錯(cuò)報(bào)。

綜上所述，開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱主要集中在導(dǎo)體、接頭部位，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜的實(shí)際發(fā)熱量超過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)熱量時(shí)就會(huì)發(fā)生過(guò)熱故障；單一的閾值判據(jù)在過(guò)熱故障判別方面存在一定的局限性，簡(jiǎn)單的閾值報(bào)警方式不能有效預(yù)警。因此，需采取一定的措施加強(qiáng)對(duì)開(kāi)關(guān)柜導(dǎo)體、接頭部位的監(jiān)測(cè)，采用實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)報(bào)警方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的閾值報(bào)警。

具體技術(shù)方案如圖4所示。

a) 在開(kāi)關(guān)柜導(dǎo)體、接頭部位安裝溫度傳感器，采集溫度數(shù)據(jù)。

b) 將溫度數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理單元，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、初步分析。

c) 數(shù)據(jù)處理單元將處理后的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)監(jiān)控中心，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)展示、歷史數(shù)據(jù)記錄、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析等。

圖4 開(kāi)關(guān)柜溫升在線監(jiān)測(cè)方案

3 開(kāi)關(guān)柜溫升在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器

目前，常用的測(cè)溫方式有蠟片測(cè)溫法、紅外測(cè)溫法、光纖測(cè)溫法、熱電阻測(cè)溫等。每種測(cè)溫方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，從溫度采集方式、測(cè)溫局限性、溫度讀取方式、能否在線監(jiān)測(cè)、有無(wú)智能報(bào)警、安裝難易程度等方面，對(duì)以上各種檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，蠟片測(cè)溫法的應(yīng)用時(shí)間較早，使用也方便，將測(cè)溫片貼在測(cè)溫點(diǎn)即可，但其主要缺點(diǎn)是事后報(bào)警，即測(cè)溫點(diǎn)過(guò)熱后蠟片融化脫落才能顯示報(bào)警，不能實(shí)時(shí)報(bào)告過(guò)熱信息；光纖測(cè)溫法以光纖作為溫度傳感器，將光纖敷設(shè)在待測(cè)物體周?chē)?，在較大空間范圍內(nèi)應(yīng)用較多，如變壓器設(shè)備、電纜測(cè)溫等；紅外測(cè)溫法是利用發(fā)熱物體發(fā)出的紅外線測(cè)溫，屬于非接觸測(cè)溫，主要有點(diǎn)式測(cè)溫儀和紅外成像儀兩種，在電氣設(shè)備中的應(yīng)用已非常廣泛，但造價(jià)較高，大規(guī)模應(yīng)用時(shí)企業(yè)會(huì)有較大的經(jīng)濟(jì)壓力；熱電阻測(cè)溫法以熱敏電阻作為溫度傳感器，屬于接觸式測(cè)溫，其主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，適用于固定點(diǎn)的溫度測(cè)量，而且應(yīng)用成本較低，在開(kāi)關(guān)柜觸頭溫升的測(cè)量中應(yīng)用廣泛。

表1 各種測(cè)溫方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

數(shù)據(jù)傳輸方式有無(wú)線傳輸和有線傳輸兩種方式。開(kāi)關(guān)柜中絕緣要求較高，空間狹小不便于施工，且有線傳輸方式布線復(fù)雜，因此宜采用無(wú)線傳輸方式。

開(kāi)關(guān)柜溫升在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度傳感器采用熱電阻測(cè)溫、無(wú)線傳輸方式,其主要功能是對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)預(yù)處理。其供電方式可采用電池供電，或利用互感線圈從開(kāi)關(guān)柜母排上取電，具體使用方式據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況而定。

當(dāng)采用電池供電方式時(shí)，為盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命，采用了低功耗設(shè)計(jì)。即每間隔10 s采集一次溫度數(shù)據(jù)，并與上次存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)比較，判斷近期有無(wú)溫度異常，如正常運(yùn)行，則再次進(jìn)入休眠模式，直至達(dá)到5 min定時(shí)，將采集到的溫度數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理單元。另一方面，還設(shè)置了電池電壓在線監(jiān)測(cè)功能，便于在電池電量即將耗盡時(shí)及時(shí)報(bào)警，提醒用戶更換電池。同樣出于低功耗的考慮，電池電壓的監(jiān)測(cè)采用每間隔24 h采集一次電池電壓的方案。研發(fā)的溫度傳感器如圖5、圖6所示。

圖5 互感取電式溫度傳感器

圖6 電池供電式溫度傳感器

3.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要對(duì)一定區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、顯示、存儲(chǔ)并上傳至后臺(tái)上位機(jī)。數(shù)據(jù)處理單元在接收到傳感器的數(shù)據(jù)后，先判斷收到的數(shù)據(jù)有無(wú)異常，如無(wú)異常則繼續(xù)接收，直到設(shè)定的時(shí)間時(shí)停止接收；若出現(xiàn)異常則產(chǎn)生報(bào)警信息，并將報(bào)警數(shù)據(jù)和信息上傳至后臺(tái)上位機(jī)。

數(shù)據(jù)處理單元安裝有溫濕度傳感器，用以采集環(huán)境溫度，同時(shí)為數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)提供參考值。通過(guò)與環(huán)境溫度的比較，得出更具有參考價(jià)值的實(shí)際溫升值。為便于顯示各類(lèi)數(shù)據(jù)信息及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理單元還配置了工業(yè)級(jí)的電阻式觸摸屏，可實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫濕度、各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度、溫升、電池電壓等數(shù)據(jù)，以及故障報(bào)警信息的查詢，并可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置報(bào)警閾值。數(shù)據(jù)處理單元還可通過(guò)GPRS或RS485等方式定時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)上位機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行處理。

3.3 后臺(tái)監(jiān)控中心

后臺(tái)監(jiān)控中心通過(guò)收集各數(shù)據(jù)處理單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲(chǔ)，及時(shí)做出故障預(yù)警和報(bào)警，也可以在故障發(fā)生后，調(diào)取并分析所需時(shí)間范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，查找故障原因。

后臺(tái)監(jiān)控中心主要包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)管理、發(fā)展趨勢(shì)分析等功能模塊。各功能模塊的內(nèi)容如表2所示。

表2 后臺(tái)監(jiān)控中心各功能模塊

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

為測(cè)試該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在某煉化企業(yè)的10 kV開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。安裝位置如圖7所示。共安裝20套溫度傳感器、3套數(shù)據(jù)處理單元、1套后臺(tái)監(jiān)控中心，共實(shí)現(xiàn)4套開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警。

圖7 安裝位置示意

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集單元在低功耗模式下工作電流為8 μA，AD采樣時(shí)工作電流為3 mA，在發(fā)送模式下的工作電流為35 mA。1 h內(nèi)總的能量消耗為0.178 8 mWh，使用容量為2 700 mAh的電池，理論上的使用時(shí)間可達(dá)6.3年，可滿足煉化企業(yè)長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要。

溫度傳感器與數(shù)據(jù)處理單元的通信距離在30 m以上時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)正常通信，在普通的配電室內(nèi)僅安裝一臺(tái)數(shù)據(jù)處理單元即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行溫度的在線監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用采用了電池供電式溫度傳感器，這種傳感器成本較低、安裝方式簡(jiǎn)便，但也存在體積較大、需要定期更換電池等問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，下一步將開(kāi)發(fā)可靠性更高的互感取電式溫度傳感器，并推廣應(yīng)用。

另一方面，由于配電室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，障礙物較多，溫度傳感器與數(shù)據(jù)處理單元的通信有時(shí)存在斷續(xù)現(xiàn)象。為此，需要提高溫度傳感器的發(fā)射功率，或者優(yōu)化二者的通信方式，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著煉化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其用電負(fù)荷也在不斷增加。由于負(fù)荷激增，導(dǎo)致負(fù)載電流過(guò)大，此時(shí)如果開(kāi)關(guān)柜因設(shè)計(jì)缺陷或維護(hù)不當(dāng)?shù)绕渌蛟斐缮岵涣迹罱K將導(dǎo)致柜內(nèi)過(guò)熱，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致絕緣損壞，誘發(fā)放電短路而燒毀開(kāi)關(guān)柜，甚至造成整個(gè)電力系統(tǒng)崩潰。

因此，為保障開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的正常運(yùn)行，需及時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行溫度，在開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)過(guò)熱故障前及時(shí)采取相應(yīng)措施，防止出現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜燒柜事故。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)，使其處于良好的散熱狀態(tài)，并應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的需要選用適合的開(kāi)關(guān)柜，避免開(kāi)關(guān)柜過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。