摘要：本文以国内外常用的电力高压开关柜为被监测对象，采用无源无线测温技术的传感器对断路器触头或电气接头进行在线监测和故障诊断的方法。研究开关柜断路器在负荷或故障状态下的发热情况，设计一套判断开关柜运行状态的新型适用方法。
关键词：开关柜；在线监测；温升故障；红外传感器；故障诊断
1开关柜在线测温诊断技术的现状和问题
温升故障是一类因电力设备连接件、接头或触头因连接不良或氧化使接触电阻增大的故障。电力设备故障的在线监测、故障诊断与预测，对于电力系统的可靠稳定运行具有十分重要的意义。本文基于传热学原理，从触点发热的根本原因出发，分析散热过程和温度在柜内外分布的规律，用于实现负荷温升故障发展趋势的预测。
开关柜在长期运行过程中，开关的触点和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，经常导致设备过热事故发生。因此，监测开关柜内部温升变化，对于预防开关柜事故发生具有重要作用。传统的开关柜测温、降温措施都是在大容量开关系列上使用，配置强迫冷却风机，通过人工或温度联锁来控制，其测温都是在开关柜内与带电体保持相对安全距离装设温度测点，无法保证准确反映发热部位的温度准确性和实时性，导致降温不及时，造成局部过热（如图为8BK40发电机出口开关）。
发电机出口8BK40开关，动触头的触指和触臂因长期过热已经变色
近年来开关柜的测温手段，研发尝试在断路器、电缆头等易发热部位安装测温传感器，能够实时监测这些部位的温度变化情况。解决了高压部位实时温度监测、自产电源及高抗电磁干扰无线信号传输的难题，技术已经成熟。
目前，开关柜温度监测主要采用接触式测温和非接触式测温方式，是对热点的直接温度测量和诊断方法。热点的直接温度测量，在技术实现上受到多方面的限制，由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。
本文提出在线测温和诊断方法是，采用一种无源无线、红外探头、绑扎式安装方式，安装在开关柜的断路器的动触臂上，由红外探头监测电气连接触指处的温度。
传感器具备低功耗电源管理、芯片式测温、无线传输等先进技术，能有效解决上述各种技术难题。采用这种测温诊断方式，不应响一次设备的正常使用，不改变一次设备的结构，不干扰高压电场的分布状态，安全可靠，有很高的推广价值。
2开关柜负荷致热和散热理论分析
2.1开关柜发热机理
高压开关柜的热源主要有三个来源：（1）电流通过导体产生的电阻损耗；电阻电流热效应，符合焦耳定律：Q=I2RT；（2）铁磁体内产生的涡流、磁滞损耗。（3）绝缘体内产生的介质损耗。
涡流对通电导体的影响表现为集肤效应，开关柜壳体上的欧姆损耗也是由涡流引起的。覆铝锌板为导磁材料，在单向电流通过形成闭环的钢板时，会产生涡流，涡流引起钢板发热。通常开关柜的额定电流小于1600A时，计算发热量时，可以忽略铁损。
电介质损耗大小与电压成正比，10kV开关柜主回路电压产生的电介质损耗很小。计算和实验证明在中压范围内，除电力电容器外，无需考虑介质损耗。
2.2电流致热模式分析
由焦耳定律可知，在开关柜中，因负荷电流致热的情况，可以归纳为两种：一种是金属导体本体发热，一种为金属导体之间的接触电阻。
金属导体本体电阻处于相对稳定状态，本体热损耗功率也接近恒定值。
影响接触电阻的主要因素有四个：材料性质、接触形式、接触压力、接触表面情况。要精确的计算接触电阻是困难的，通常采用经验公式估算。
经验公式为：Rc=Kc/(0.1F)m
式中：F-接触压力[N]；m-与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取0.5/0.7/1；Kc-与接触材料、表面情况、接触方式相关的系数，通常由实验得出。
在导体间的接触电阻随着开关柜长期运行，而呈现逐渐变大的趋势。接触电阻恶化通常是电力开关设备故障发生的主要原因之一。
2.3开关柜的各部位发热特点
2.3.1导电体搭接头（母排、电缆头）部位发热
连接部位的压紧螺栓或压紧弹簧压紧力不恰当，表面膜电阻过大，连接部位接触面光洁度不够或接触面氧化、积灰等都会造成接触电阻增大。
2.3.2断路器小车动静触头部位发热
开关的动静隔离触头存在接触不良，将使开关的接触电阻远大于金属本体电阻。在相同的电流作用下，隔离触头的发热量远大于连接件的发热量。触头温度升高，引起接触面氧化，导致接触电阻上升，发热量增加，形成恶性循环。
开关触头接触面氧化、脏污，势必引起发热。实践证明，当触头处的运行工作温度超过80℃时，每次温度变化循环，将会使得下一次循环的热量增加，所增加的温度又使接头的工作状态进一步恶化，形成恶性循环。
2.3.3介质损耗
交流开关设备绝缘体内产生的介质损耗与电场强度和频率有关，电场强度越大，频率越高，则介质损耗也越大。计算和实验证明在中压范围内，出电力电容器外，无需考虑介质损耗。
2.3.4其他损耗
以上是造成开关柜发热的主要损耗，此外还有开关设备中电气运行部分产生的摩擦和撞击损耗等其他损耗，客观存在但无关轻重，暂不考虑。
3开关柜断路器在线监测方案
3.1监测方案
本文拟提供的方法，基于应用电流感应取电技术、无线通讯技术、红外测温技术、极低功耗技术的测温传感器，绑缚式安装在断路器动触臂上，监测断路器开关触头部位的温度。后台系统并分析温升变化特征，从而做出柜体过热状态的诊断。
安装方式：无源测温传感器安装在断路器静触臂位置，上、下触头共安装6个，测量各触头的温度。
在高压开关室内，安装智能无线接收显示装置，测温数据可通过RS485线传输至远方监控后台系统。
传感器现场安装效果 接收装置现场安装效果
3.2无源无线温度传感器
Yado-ECT-BD1无源温度传感器利用输电线路周围感应的电磁能量获取电能，在线监测设备温度，结合无线通讯，完成快速精确在线测量并省却线缆的束缚，实现数据无线传输功能。传感器无需外部电源终身免维护。
3.2.1电流感应取电原理
根据法拉第电磁感应定律。当穿过闭合线圈回路的磁通量发生变化时，闭合线圈回路中会产生感应电流。在通电导线（触头或单相电缆）外套装闭合超高导磁材料，导磁材料上绕制漆包线，形成微型穿心电流互感器取电装置。当导线中流过交变电流时，取电装置闭合线圈内会产生感应电流，感应电流经过能量收集技术为无线传感器系统供电。带有交流电的被测物体穿过闭合合金抱箍，且交流电流不小于5A时，传感器将感应电流转换为传感器自身供电能量。
3.2.2非接触测温原理
红外测温元件测量物体自身辐射的红外射线，实现非接触测量温度。红外镜头对准被测物体测量表面温度，通过无线链路传送至接收装置。
3.2.3传感器的强磁场保护原理
过载保护：通过超软磁合金材料，实现30A以上电流时即感应磁场饱和；同时保护电路抑制感应电压在20mV~500mV之间，实现能量收集，而不会被强磁场损害。
减少涡流及发热：通过特殊铁芯材料和薄片叠压方式，削弱回路电阻，抑制涡流，从而抑制铁芯发热。
3.2.4传感器的自控原理
自动调节测量时间间隔：根据能量采集情况，自动调节测量及无线发送时间间隔
传感器自诊断：采集上传自身状态数据以实现自故障报警与诊断：①红外探头及内置主控芯片温度②传感器能量状态；③传感器无线信号质量；④传感器软硬件版本信息。
Yado-ECT-BD1无源温度传感器
3.2.5传感器的主要技术参数
最小启动电流：5A；
饱和电流：30A；
测温范围：-40~+115℃；
精度：±2℃或±2%；
温度采集周期：5s~80s。
3.3系统功能
高压开关柜在线测温系统能够进行全天候24小时不间断监测各个测点的温度状况，对异常温度进行报警，并提供实时和历史数据的查询、分析功能。
主要功能如有：
温度监测：集中显示被测各点的温度值。
报警功能：测量到的温度值超过报警值时，进行报警事件提醒，报警继电器触发。
趋势分析：显示实时和历史温升趋势。
故障显示：被测设备温度点的位置非正常工作时显示故障。
数据报表：能实现测温数据报表自动生成，便于维护人员存档记录。
数据曲线：可根据监测到的温度数据，自动绘制温度曲线图。
数据库功能：存储所有测点的各时刻的温度值，以便进行历史数据查询和分析。
权限管理：可进行权限设置。运行数据的设定、修改等需经有使用权限的系统操作人员操作方生效。
远程通信：系统提供RS485、以太网、GPRS等以满足远程通信。
在线监测装置报警事件界面
4实施案例数据和分析
以下图为例，截取某开关柜一段时间的在线测温历史数据，绘制成温度历史趋势图。从图中曲线可以看出，断路器触头温度，在一定范围内波动。且普遍的，上触头的温度比下触头的温度高5℃左右，符合柜内热量传递规律。
触头温度大部分时间低于60℃，当某时刻温度超过60℃报警线时，触发系统预警报警。
某开关柜实测温度历史趋势图
在线监测装置报警事件界面
5总结
本文以电力设备中常用的中置式开关柜为对象，分析柜体发热和散热的基本规律。设计了采用新型无源无线测温传感器实现开关柜断路器触头的温度监测，从而做到全天候在线的设备过热状态监测和故障预警。给出了开关柜在线测温系统方案。同时，一套主机可以同时接入多个其他易发热部位（如：隔刀、主变套管将军帽等），实现重要部位实时监测，安排预见性检修，杜绝事故非停。
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论文作者:尚秦玉1,郭晨华2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第17期
论文发表时间:2019/12/19
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