閆世軍，李 勇

(國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，山西 太原 030000)

0 引言

2019-01-22，公司負(fù)責(zé)管轄的某變電站220 kV 組合電器斷路器氣室發(fā)生大規(guī)模氣室低氣壓報警及閉鎖事件。斷路器氣室以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，該設(shè)備額定壓力為0.62 MPa，報警壓力為0.58 MPa，閉鎖壓力為0.55 MPa，斷路器運(yùn)行時充氣壓力為0.63～0.65 MPa。發(fā)生故障時設(shè)備氣室壓力為0.57 MPa 左右，使用SF6檢漏儀進(jìn)行檢漏，未發(fā)現(xiàn)漏氣點(diǎn)，設(shè)備密封良好。現(xiàn)場環(huán)境溫度低至-32 ℃以下，根據(jù)SF6氣體溫度壓力曲線判定設(shè)備氣室存在液化現(xiàn)象[1]。

1 故障情況

該變電站220 kV 組合電器為戶外式設(shè)備，在設(shè)計之初，為避免低溫環(huán)境下斷路器氣室由于液化現(xiàn)象導(dǎo)致報警及閉鎖事件發(fā)生，加裝了伴熱帶系統(tǒng)。該變電站220 kV 設(shè)備區(qū)組合電器共有15 個斷路器間隔安裝有伴熱帶，每個間隔有3 個氣室，每個氣室均安裝2 000 W 功率伴熱帶，其中上部伴熱帶功率為400 W，下部伴熱帶為1 600 W，如圖1 所示。

其中，上部400 W 伴熱帶由2 片200 W 電阻片組成，下部1 600 W 伴熱帶由2 片600 W 電阻片和4 片100 W 電阻片組成。

現(xiàn)場使用紅外成像儀對處于加熱運(yùn)行狀態(tài)的伴熱帶測溫，發(fā)現(xiàn)220 kV 設(shè)備區(qū)組合電器所有間隔的下部伴熱帶均存在部分電阻片不加熱情況，即不能滿負(fù)荷(2 000 W)工作。紅外測溫圖可以直觀發(fā)現(xiàn)第3 間隔斷路器氣室下部伴熱帶的2 組600 W電阻片損壞、不能正常加熱，共計損失1 200 W 加熱功率。

圖1 伴熱帶實(shí)際安裝位置

現(xiàn)場隨機(jī)抽取兩個間隔的伴熱帶進(jìn)行拆解檢查，打開伴熱帶鋼制外殼，發(fā)現(xiàn)伴熱帶內(nèi)部進(jìn)水嚴(yán)重，在低溫環(huán)境下已結(jié)成冰塊，保溫棉已吸水結(jié)冰，防水措施不合格。各個規(guī)格的硅橡膠電阻片(600 W電阻片、200 W 電阻片、100 W 電阻片)表面泛白，均出現(xiàn)不同程度的碳化、碎裂及電阻絲斷裂情況。

2 原因分析

斷路器伴熱帶出廠時間為2016 年8 月，投運(yùn)時間為2017 年7 月，整個伴熱帶系統(tǒng)截至發(fā)現(xiàn)故障時，實(shí)際投運(yùn)時間約為1.5 年，與10 年的質(zhì)保時間相差甚遠(yuǎn)，說明該系統(tǒng)設(shè)計不合理，不能滿足現(xiàn)場要求。

2.1 電阻片防水性能驗(yàn)證

選取2 片已經(jīng)碳化且實(shí)測電阻值無窮大的加熱電阻片放入水中，浸泡12 h 后剪開硅膠絕緣包封，發(fā)現(xiàn)里面沒有水漬，說明電阻片防水性能未被破壞。因此，伴熱帶進(jìn)水不是電阻片損壞的主要因素。

2.2 電阻片表面溫度性能驗(yàn)證

分別對3 種規(guī)格的硅橡膠電阻片(600 W 電阻片、200 W 電阻片、100 W 電阻片)進(jìn)行通電，加熱半小時后，電阻片表面溫度穩(wěn)定。具體測量結(jié)果如下：環(huán)境溫度為-4 ℃時，100 W 電阻片表面溫度為151 ℃，200 W 電阻片表面溫度為138 ℃，600 W 加熱器表面最高溫度為135 ℃。裸露在空氣中的電阻片溫升就高達(dá)135 K 至151 K，伴熱帶電阻片在封閉的腔體里面，加熱片表面溫度會達(dá)到160 ℃以上。

因此，伴熱帶電阻片投運(yùn)時，功率密度較高，表面溫度很高，導(dǎo)致硅膠材料碳化，內(nèi)部電阻絲匝間觸碰短路，導(dǎo)致局部電流過大，特別是下部伴熱帶功率過于集中，熱量太大，導(dǎo)致伴熱帶局部溫度過高，伴熱帶電阻片高溫碳化。

結(jié)合現(xiàn)場拆解情況還發(fā)現(xiàn)：溫控傳感器安裝在每個間隔B 相上部伴熱帶殼體內(nèi)，在伴熱帶啟動時，傳感器位置與下部伴熱帶位置溫度相同。但伴熱帶投運(yùn)一段時間后，由于下部1 600 W 伴熱帶功率較高，發(fā)熱量大，比傳感器位置伴熱帶溫升高達(dá)30K，下部伴熱帶實(shí)際退出運(yùn)行時溫度會比傳感器位置伴熱帶實(shí)際退出運(yùn)行時高達(dá)30 ℃。突測上部伴熱帶溫度為11.8 ℃時，下部伴熱帶溫度為44.3 ℃。

此外，該站伴熱帶系統(tǒng)還存在控制電源偷跳、溫控器失效及伴熱帶故障不報警等問題，遂對該伴熱系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計與改進(jìn)，以滿足現(xiàn)場需求。

3 改進(jìn)型伴熱帶系統(tǒng)

3.1 伴熱帶系統(tǒng)設(shè)計

導(dǎo)熱是熱量傳輸?shù)囊环N方式，指物體各部分無相對位移或者不同物體直接接觸，依靠物質(zhì)分子、原子、自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。在實(shí)際的傳熱過程中很少有一種傳熱方式單獨(dú)存在，往往是兩種及其以上傳熱方式同時發(fā)生，而在某種條件下以某種傳熱方式為主。

在物體中有溫度差存在時，熱量將自動由高溫傳向低溫，物體相互間或者同一物體各部分之間存在溫度差是產(chǎn)生傳熱的必要條件。傳熱的熱流量基本公式(n層不同材料)：

公式(1)中的熱流量Q相當(dāng)于電流I，溫度差對應(yīng)于電位差，有溫度差就有熱量的傳遞。就像導(dǎo)線中有電流一樣，溫差是傳熱過程的推動力，在傳熱學(xué)中將溫差稱為溫壓，∑Rt=Rt1+Rt2+Rt3是三層平壁的總熱阻。這和電阻串聯(lián)的原理是一樣，在串聯(lián)電路里，總電阻為各串聯(lián)電阻之和，而熱流量Q通過三層平壁所遇到的總熱阻是三層熱阻之和[2]。增強(qiáng)和削弱傳熱的途徑：所謂增強(qiáng)傳熱，是提高換熱設(shè)備單位傳熱面積的傳熱量，即提高傳熱系數(shù)，減少傳熱熱阻。

本伴熱帶系統(tǒng)采用恒功率電阻加熱法，加熱電阻為單相并聯(lián)帶。電阻片電阻絲為鎳鉻合金絲和絕緣材料組成，鎳鉻合金絲具有較高的電阻率和耐熱性，可塑性強(qiáng)，絕緣材料采用耐高低溫、防腐、高絕緣、耐老化的硅橡膠。如圖2 所示，伴熱帶本體由原先的5 層結(jié)構(gòu)(鋼制外殼、石英紙、電阻片、保溫棉、鋼制外殼)簡化為3 層結(jié)構(gòu)(鋼制外殼、中間保溫層、電阻片)，電阻片直接貼敷在氣室罐體上，有效減少傳熱熱阻，提高加熱效率。

圖2 伴熱帶結(jié)構(gòu)

最外層采用不銹鋼帶或搭扣緊固，只需800 W加熱功率就可以保證斷路器氣室不發(fā)生SF6氣體液化現(xiàn)象，其中上部伴熱帶功率為400 W，下部伴熱帶為400 W，合理分配伴熱帶功率密度，保證其運(yùn)行在合理溫度范圍內(nèi)。隨著結(jié)構(gòu)的簡化，可以減少需做防水處理的密封面，降低了進(jìn)水的風(fēng)險。

3.2 伴熱帶控制系統(tǒng)

本伴熱帶控制系統(tǒng)通過控制伴熱帶供電電源的通與斷，實(shí)現(xiàn)對伴熱帶投運(yùn)加熱與退投的控制，控制系統(tǒng)實(shí)時采集現(xiàn)場溫度，比較現(xiàn)場溫度與系統(tǒng)設(shè)定值，低于啟動設(shè)定值時啟動伴熱帶加熱，高于停止設(shè)定值時，伴熱帶停止加熱[3]。

本伴熱帶控制回路如圖3 所示，空開QF 同時控制加熱主回路跟溫控回路，空開QF 發(fā)生偷跳時，溫控器無電，溫控器常閉接點(diǎn)打開，給后臺發(fā)報警信號，變電站運(yùn)維人員能夠迅速、及時發(fā)現(xiàn)故障，防止故障擴(kuò)大[4]。WK 為溫度控制器，K1 為其常開接點(diǎn)，當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時，K1 閉合，伴熱帶啟動加熱。S1 為手動按鈕，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以手動使伴熱帶投運(yùn)。伴熱帶檢測器用于檢測伴熱帶是否存在故障，若電阻片斷路情況嚴(yán)重時，提示需更換。

溫度控制器技術(shù)及工藝成熟，采用LD-WZ型智能溫控器，其控制芯片為單片機(jī)，可以自行選擇熱電偶1 或熱電偶2，采用PDI 升溫型控制策略，具有手動控制及自動功能，無須后備電源情況下，內(nèi)部設(shè)定數(shù)據(jù)保存10 年以上。溫度傳感器采用熱敏電阻傳感器PT100，將其安裝在每個間隔控制終端盒上，可以有效感知環(huán)境溫度，保證上部伴熱帶與下部伴熱帶同時投入運(yùn)行和退投，且在控制終端盒上設(shè)置了備用的一組熱敏電阻傳感器，一組故障時可以隨時切換，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖3 伴熱帶控制回路

伴熱帶檢測器電氣原理如圖4 所示，電阻片電阻絲由于運(yùn)行時間過長、溫度過高等原因會導(dǎo)致斷路現(xiàn)象，伴熱帶整體電阻會升高、電流下降，加熱功率下降，當(dāng)下降到一定比例時，芯片TLP521 導(dǎo)通，G6K-2F 型繼電器觸點(diǎn)閉合，發(fā)出報警信號，提示更換伴熱帶電阻片。該檢測器采用數(shù)字量輸出型電子式電流互感器，相比于傳統(tǒng)電磁式電流互感器，電子式電流互感器具有更高的帶寬[5]，適用于諧波含量較大電流的基波測量，其數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，適用于變電站強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，且體積小、重量輕、測量準(zhǔn)確度高。DC(直流) 24 V 由輔助電源模塊提供，采用TLP521 型光電耦合器件，減少變電站強(qiáng)電磁干擾。歐姆龍G6K-2F 繼電器提供輔助接點(diǎn)，用于給伴熱帶狀態(tài)指示燈及后臺信號提供接點(diǎn)。

4 現(xiàn)場測試

4.1 加熱性能測試

將原伴熱帶及改進(jìn)型伴熱帶各選取一個間隔通電運(yùn)行進(jìn)行測試對比，將溫控器模式設(shè)定為手動模式，一直加熱6 h，選取上部伴熱帶、下部伴熱帶及斷路器氣室罐體中間位置共3 個點(diǎn)進(jìn)行測溫，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖4 伴熱帶檢測回路

由測試數(shù)據(jù)可知：改進(jìn)型伴熱帶由于采用直接貼敷方式，加熱效率快，中間保溫層有效阻隔熱量向外界空氣散發(fā)，上部伴熱帶與下部伴熱帶功率相同，功率密度相當(dāng)。原伴熱帶鋼制外殼表面溫度較高，熱量散發(fā)較多，且下部伴熱帶功率密度過大，易造成電阻片碳化損壞。

表1 加熱性能測試數(shù)據(jù)

4.2 控制性能測試

改進(jìn)型伴熱帶系統(tǒng)安裝完成后，將溫控器啟動溫度設(shè)定為零下10 ℃，停止溫度設(shè)定為0 ℃，連續(xù)一周不同時段觀察記錄15 個間隔斷路器氣室壓力值，無明顯變化趨勢，說明總功率為800 W 的伴熱帶系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場需求。與原伴熱帶總功率1 600 W 相比，單臺斷路器就可以節(jié)省800 W 負(fù)荷，15 個間隔共45 臺斷路器氣室需要加熱。依據(jù)該變電站冬季實(shí)際運(yùn)行工況知，冬季平均每天伴熱帶有效工作7 h，按2 個月算，共節(jié)省約15 120 kWh電能，可以有效利用能源，減少能源消耗量，節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)束語

SF6封閉式組合電器設(shè)備存在諸多優(yōu)點(diǎn)，在變電站中獲得廣泛應(yīng)用。為了保障組合電器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，加裝了SF6壓力監(jiān)測和伴熱帶加熱系統(tǒng)等輔助設(shè)施。在變電站組合電器運(yùn)行期間，除了關(guān)注組合電器設(shè)備本體外，還應(yīng)關(guān)注其輔助設(shè)施能否正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)故障事件。