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高壓斷路器超溫報(bào)警裝置研究
2016-07-12 397根據(jù)電力工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的要求，開關(guān)柜正在向智能化、免維護(hù)、具備自診斷功能的方向發(fā)展，由原來的定期檢修向狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展。本項(xiàng)目研究的目的是研制一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的觸頭溫升在線監(jiān)測(cè)裝置，在不降低原有設(shè)備絕緣性能的前提下，解決觸頭異常溫升的監(jiān)測(cè)報(bào)警問題。這種裝置既要經(jīng)濟(jì)實(shí)用，不能大幅度提高開關(guān)柜的成本，又要便于新設(shè)備的安裝和老設(shè)備的改造，提高開關(guān)設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性，減少惡性事故發(fā)生。
據(jù)資料報(bào)道，國外的一些高壓電器生產(chǎn)廠家的新產(chǎn)品已推出了帶觸頭測(cè)溫報(bào)警的智能化開關(guān)柜，但這種產(chǎn)品價(jià)格十分昂貴，不可能會(huì)大量引進(jìn)。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，使得斷路器的觸頭有一個(gè)在線溫升預(yù)報(bào)警系統(tǒng)，可以縮短我國開關(guān)柜與國外同類產(chǎn)品這方面技術(shù)的差距。
本項(xiàng)目采用上海市南供電局和常州市常工電子儀器有限責(zé)任公司共同合作的方式來完成該項(xiàng)課題。
該項(xiàng)目要求如下：
1. 由上海市南供電局提出項(xiàng)目的技術(shù)要求(見附件1)，并對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)，提供一定的研發(fā)經(jīng)費(fèi);
2.由常州市常工電子儀器有限責(zé)任公司按項(xiàng)目的技術(shù)要求確定實(shí)施方案，并在2004年11月份前完成樣機(jī)并通過各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)的測(cè)試;
3.在2004年內(nèi)提交測(cè)試報(bào)告，如技術(shù)總結(jié);
4.2004年通過市南供電局的驗(yàn)收。
二、 高壓斷路器手車觸頭超溫報(bào)警裝置的技術(shù)原理與要求
1、 高壓斷路器觸頭異常溫升的原因與試驗(yàn)規(guī)范
溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程都與溫度有關(guān)，許多設(shè)備的故障是由異常溫升而造成。高壓斷路器中正常的導(dǎo)電回路，在正常運(yùn)行時(shí)，長期通過工作電流產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使電器材料溫度升高不?huì)超出規(guī)定范圍，但導(dǎo)電回路不正常時(shí)，會(huì)使電器材料溫度升高超出規(guī)定范圍，而使電器材料的機(jī)械強(qiáng)度、物理性能等下降，因此在國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同電器材料允許長期工作溫度。在高壓斷路器的結(jié)構(gòu)中，靜觸頭、動(dòng)觸頭是一個(gè)基本元件，在靜觸頭和動(dòng)觸頭接觸時(shí)，它們之間有一個(gè)接觸電阻，當(dāng)電流流過觸頭時(shí)，接觸電阻的存在，要引起觸頭的發(fā)熱，如果接觸點(diǎn)的溫度超過規(guī)定值，則會(huì)加速動(dòng)、靜觸頭接觸處氧化，氧化結(jié)果又導(dǎo)致接觸電阻上升，這樣又促使發(fā)熱、溫度增加，因此國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接觸電阻數(shù)值，在這個(gè)范圍內(nèi)，不會(huì)造成氧化。對(duì)額定電壓3kV及以上、頻率50Hz長期工作電器，如斷路器、隔離開關(guān)、封閉式組合電器、金屬封閉開關(guān)設(shè)備、負(fù)荷開關(guān)等產(chǎn)品，必須進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)，以保證在生長期通過額定工作電流下，電器各部的溫度不超過標(biāo)準(zhǔn)允許的數(shù)值。高壓開關(guān)柜內(nèi)母線聯(lián)結(jié)處的接觸電阻有一定要求，在出廠前用“回路電阻測(cè)試儀”離線測(cè)試，其原理是在母線聯(lián)結(jié)處通過100A直流電流，測(cè)出其兩端電壓，即可求得接觸電阻。開關(guān)柜出廠后，由于運(yùn)輸、安裝、碰擊等致使接觸惡化，接觸電阻增加，特別如手車推入，在插接處接觸不良造成事故，造成供電中斷的事例發(fā)生。
2、 參考國高壓開關(guān)觸點(diǎn)溫升在線監(jiān)測(cè)技術(shù)二例
1)Fabry-perot槽進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，F(xiàn)abry-perot槽溫度探頭原理見圖3，裝置是由一薄硅片構(gòu)成，在它的中段的頂部和底部蝕刻出矩形槽，然后在薄硅片頂粘貼上一層玻璃，該玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)該處溫度變化時(shí)，因二種材料不同的熱膨脹系數(shù)，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力改變了槽的深度。用光纖將多色光送入照射Fabry-perot槽，反射出的調(diào)制光也經(jīng)光纖送出，調(diào)制的輸出信號(hào)是用光學(xué)干涉測(cè)量方法測(cè)量的。
調(diào)制多色光的主波長隨Fabry-perot槽深度變化而改變。Fabry-perot槽深度變化是毫微米數(shù)量級(jí)，因?yàn)闇囟鹊淖兓沁B續(xù)的，槽深變化也是連續(xù)的，當(dāng)然主波長是溫度的連續(xù)函數(shù)(圖4)。由Fabry-perot槽構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)其組成元件耐腐蝕、小巧、測(cè)量靈敏度高，而且不受電磁干擾影響，在智能化高壓電器的溫度在線測(cè)量方面有廣闊的市場(chǎng)。
2)利用石英溫度傳感器埋入母線溫升部位溫升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
該母線聯(lián)結(jié)處溫升在線檢測(cè)裝置由ABB 公司開發(fā)的(見圖2-1)，其特點(diǎn)如下：
1. 每一個(gè)傳感器有一個(gè)電流源，電流通過母線時(shí)，交變電磁場(chǎng)提供了溫度傳感器探頭所需的電源，才進(jìn)行溫度測(cè)量。母線電流40A(50Hz)時(shí)探頭能正常工作，短路故障所產(chǎn)生的短路電流不會(huì)損壞傳感器。
2. 因?yàn)樵跍y(cè)量點(diǎn)有強(qiáng)的電磁場(chǎng)，所以通過數(shù)字信號(hào)傳遞方案更為適合，輸出數(shù)字訊號(hào)(頻率)與溫度有關(guān)。
3. 傳感器特點(diǎn)是體積小、準(zhǔn)確度高，耐老化性好，且價(jià)格便宜。它由石英晶體、輔助電源及訊號(hào)輸出回路組成。可以方便地安裝在母線聯(lián)結(jié)處。
4. 采用紅外調(diào)制發(fā)射技術(shù)。一個(gè)紅外發(fā)光二極管把高電位處溫度值發(fā)送到低電位處的紅外接收器上?？梢园言S多傳感器的測(cè)量值送到同一接收器上。
5. 1992年5月ABB提供的新型溫度監(jiān)視系統(tǒng)，在一面中壓開關(guān)柜12個(gè)接點(diǎn)處(母線接觸處)的暴露部分安裝上這種尺寸極小的溫度電子傳感器，其中三個(gè)傳感器裝在母線聯(lián)結(jié)處、三個(gè)裝在開關(guān)連接線的上端，另三個(gè)在電纜終端。在一般情況下僅僅使用九個(gè)傳感器，因?yàn)殚_關(guān)下面接線與電纜終端的距離很近。
圖2-1 溫度測(cè)量裝置原理
三、 解決方案技術(shù)路線及原理框圖
1、溫度傳感器及信號(hào)發(fā)射部分，見圖3-1
圖3-1 溫度傳感及信號(hào)發(fā)射部分原理圖
2、溫度取樣及超溫信號(hào)轉(zhuǎn)換、發(fā)射部分工作原理
圖3-2 熱敏電阻值隨溫度變化關(guān)系圖
溫度傳感器及信號(hào)發(fā)射部分是由溫度傳感器(熱敏電阻)、小CT線圖和信號(hào)轉(zhuǎn)換及發(fā)射模塊等組成。該部分電路原理見圖3。溫度傳感器(熱敏電阻)被埋入斷路器觸臂靠近梅花爪頭的部分，溫度傳感器是一個(gè)隨著溫度值改變電阻值的熱敏電阻，其阻值隨溫度的變化關(guān)系示于圖3-2。
溫度傳感器將隨溫度變化的電阻變化值通過高溫導(dǎo)線與信號(hào)轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊相連接，輸入到比較電路中，它將隨溫度變化的電阻變化值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由溫度轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的電壓信號(hào)進(jìn)行比較。如果預(yù)先設(shè)定的電壓信號(hào)代表100℃，當(dāng)安裝熱敏電阻部位的溫度大于100℃時(shí)，比較器的輸入電壓低于預(yù)先設(shè)定的100℃的翻轉(zhuǎn)電壓，比較器的輸出由低變高，則發(fā)射器的輸入變?yōu)楦唠娖剑|發(fā)無線發(fā)射信號(hào)，將對(duì)應(yīng)安裝熱敏電阻處的溫度變化的編碼信號(hào)發(fā)射出去。該部分電路的原理見框圖3-3。
無線編碼發(fā)射模塊，當(dāng)轉(zhuǎn)入為低電平時(shí)，發(fā)射器停止工作，當(dāng)輸入信號(hào)由低變高后，能使發(fā)射模塊工作，發(fā)射攜帶溫度變化信息的編碼信號(hào)。發(fā)射器的頻率、功率不會(huì)影響到其它二次電路正常工作，符合國標(biāo)。
3 、高壓信號(hào)取樣部分電源的解決方案
該模塊的工作電源由小CT線圈提供。當(dāng)由高壓母線通過該項(xiàng)觸臂的二次電流達(dá)到5A以上時(shí)，小CT線圈中感應(yīng)電流，通過電源轉(zhuǎn)換器，就給該模塊提供了足以正常工作的能量。由于溫度轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊必須工作于高電位，因此，這個(gè)由高電壓的一次電流感應(yīng)產(chǎn)生的電源也應(yīng)處于高電位;處于高電位處的發(fā)射模塊與處于低電位的接收模塊是通過無線電波完成信號(hào)傳輸。因此，利用無線電波傳輸信號(hào)解決了高電位隔離問題。作為電源能量供給的小CT線圈在設(shè)計(jì)上采取了整流濾波和一系列保護(hù)措施，使它滿足一次電流從50A至5000A的大范圍變化的條件下長期可靠工作，且能承受一次回路電流達(dá)100KA的沖擊短路電流。
4 、無線信號(hào)的傳輸
實(shí)現(xiàn)高、低電位傳輸?shù)母綦x，把處于高電位的超溫指示及報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)降碗娢欢恕?/P>
接收電路的原理見圖3-4。
5、 CG206-I型斷路器觸頭超溫自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)樣機(jī)原理說明
5.1 接收部分
a) 阻容降壓和穩(wěn)壓管形成電源部分;
b) 7555芯片及其外圍電路組成延時(shí)電路，現(xiàn)延時(shí)時(shí)間設(shè)置為10 秒左右;
c) 六路指示燈分別對(duì)應(yīng)于斷路器六路觸頭，六路觸頭中只要有一路發(fā)生超溫現(xiàn)象系統(tǒng)即報(bào)警，六路指示燈可指明具體超溫故障點(diǎn)，且繼電器帶報(bào)警輸出。
5.2 電源部分
1、通過電流互感器和穩(wěn)壓管形成電源;
電流互感器參數(shù)：用長鋼卷成四層，Φ0.2mm的漆包線繞2400圈(大約繞滿三層)，阻抗約為40歐姆，直徑大小與斷路器觸頭配合;
2、其正常工作電壓為10.8V，工作電流12mA;
3、電流互感器在各動(dòng)觸頭通過電流超過50A以上時(shí)即能滿足模塊工作，線圈工作無明顯溫升。
5.3 發(fā)射部分
通過運(yùn)算放大器LM393進(jìn)行預(yù)置值與溫度傳感器的變化值相比較，發(fā)出高電平信號(hào)觸發(fā)由7555芯片及其外圍電路組成的延時(shí)電路，使發(fā)射裝置發(fā)出信號(hào);
發(fā)射部分PT2262與接收部分PT2272之間的無線信號(hào)是通過編碼解碼的方式傳送，并且為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
5.4 CG206-I型斷路器觸頭超溫自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)原理框圖(見圖3-5)
圖 3-5
5.5 CG206-I型斷路器觸頭超溫自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)電路原理圖(見圖3-6)
斷路器觸頭測(cè)溫接收與報(bào)警部分電原理圖
斷路器觸頭測(cè)溫傳感與發(fā)射部分電原理圖
圖3-6
四、 高壓斷路器的觸頭手車超溫報(bào)警裝置的可靠性分析
該項(xiàng)目是采用相應(yīng)的電子線路、傳感器、無線收發(fā)裝置組合而成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在原有的高壓斷路器手車部分改造安裝而成，改造裝配完成的觸頭超溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要能夠完成對(duì)六路手車觸頭進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，又要不影響高壓斷路器原有的技術(shù)特性和絕緣特性。為了達(dá)到這一要求，我們?cè)谠擁?xiàng)目方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，采取了以下幾項(xiàng)措施來保證斷路器原有的技術(shù)特性和絕緣特性和監(jiān)測(cè)電路的長期可靠工作。
1、 發(fā)射電路和傳感器緊貼每一相的觸臂安裝，使得該部分電路完全套在觸臂的絕緣筒內(nèi);同時(shí)在安裝時(shí)采取了隔熱、抗震等措施，使得原有的相間絕緣距離不受影響，保障了原有的絕緣能力。
2、 對(duì)傳感器、導(dǎo)線和電子元件各部分在設(shè)計(jì)、選用及安裝時(shí)充分考慮了各部分的溫度承受能力和過流、過壓沖擊的承受能力，保證該部分裝置在斷路器運(yùn)行的惡劣環(huán)境中能生長期可靠工作。
3、 用小CT取每相工作電流感應(yīng)作各部分工作電源，使得每相之間無任何電路連接上的關(guān)聯(lián)，每相觸頭一旦超溫，監(jiān)測(cè)裝置立即會(huì)發(fā)出無線信號(hào)。接收裝置通過接收解碼電路，分辨出超溫的某一相點(diǎn)亮相對(duì)應(yīng)的指示燈告警，并發(fā)出觸頭超溫報(bào)警信號(hào)。從信號(hào)取樣、傳輸告警都是通過無線發(fā)送、接收來實(shí)現(xiàn)高壓與低壓端之間電位隔離傳輸。
五、 裝置的技術(shù)關(guān)鍵與可行性分析
1 、技術(shù)關(guān)鍵
電流互感器電源是該超溫報(bào)警裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。在設(shè)計(jì)該裝置供電電源時(shí)，必須考慮到絕熱、絕緣及較好的穩(wěn)定性。如果使用化學(xué)電池，則無論是儲(chǔ)備電池和燃料電池都無法滿足斷路器的長期使用壽命要求。不能連續(xù)不斷地提供穩(wěn)定、可靠的電能，也無法維護(hù)及更換。如果采用光伏電池，由于斷路器絕緣套筒內(nèi)無法安裝光源，因此無法提供穩(wěn)定的能量來源。
解決方案是在母線上安裝電流互感器，從中取出電流為后端測(cè)溫傳感電路供電。
2、本方案作為解決高壓斷路器的觸頭超溫報(bào)警裝置供電電源可行性分析
2.1 可行性原理分析
由于斷路器母線電流變化從幾十安~幾千安培，其變化達(dá)到幾十倍之大，為保證互感器能提供較為穩(wěn)定的電源，要利用鐵心磁飽和特性，即適當(dāng)?shù)剡x取電流互感器鐵心的截面積及鐵磁材料的導(dǎo)磁率，使它在母線流過正常電流時(shí)能正常勵(lì)磁。一旦母線流入大電流，鐵心磁飽和，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)緩慢變化，再加穩(wěn)壓管，可以使它能向溫度傳感器電路提供較微小電流。
2.2 互感器電源的實(shí)施
我們選母線電流50A，互感器進(jìn)入飽和，此時(shí)決定互感器的全部尺寸，這樣母線電流大于等于50A之后，互感器一直處飽和，而且當(dāng)母線電流為短路電流時(shí)，使互感器處于深度飽和。這樣在50A以上，其二次側(cè)電壓、電流基本穩(wěn)定。
六、 測(cè)溫傳感器與信號(hào)發(fā)射裝置在斷路器上的安裝步驟(省略)
七、 安裝試運(yùn)行與測(cè)試
2005年5月，本公司在上海嘉定高家變電站成功地進(jìn)行了高壓斷路器觸頭測(cè)溫報(bào)警裝置的安裝試運(yùn)行，過程如下：
1、 裝有VS1型斷路器的10kV高壓開關(guān)停電后，將斷路器拉出放置在小車上。
2、 安裝上面提及的溫度傳感器與超溫發(fā)射裝置的安裝方法，分步驟地將六組斷路器的動(dòng)觸頭、觸臂拆下。
3、 按照上述步驟將溫度傳感器、無線超溫發(fā)射板裝入每一個(gè)觸臂與絕緣套管之間的空隙內(nèi)。
4、 裝好一路接線后，從外部給發(fā)射板加入試驗(yàn)用12V工作電壓(小CT從母線取電流變換成的12V電源)，再給接收盒加上220V工作電源。
5、 用電熱吹風(fēng)機(jī)給傳感器熱風(fēng)加溫，同時(shí)用紅外熱像儀對(duì)準(zhǔn)傳感器測(cè)量傳感器的表面溫度。隨著加溫，熱像儀顯示的溫度逐步上升。當(dāng)被測(cè)傳感器的表面溫度達(dá)到99.2℃時(shí)，接收盒上對(duì)應(yīng)該相位置觸頭的紅燈點(diǎn)亮，表示已達(dá)溫度。同時(shí)，接收盒內(nèi)的報(bào)警繼電器動(dòng)作，向遠(yuǎn)方發(fā)出超溫報(bào)警信號(hào)。
6、 按上述方法，將六個(gè)觸頭全部裝上傳感器與無線發(fā)射裝置，并逐個(gè)進(jìn)行溫升超限的模擬試驗(yàn)，確認(rèn)動(dòng)作無誤后，將斷路器進(jìn)行復(fù)位。六個(gè)發(fā)射完成安裝后，將信號(hào)盒放置于高壓柜的儀表盒內(nèi)，接通電源，如愿進(jìn)入監(jiān)測(cè)待命狀態(tài)。
試裝運(yùn)行小結(jié)：
1、 經(jīng)過試驗(yàn)和模擬測(cè)試，說明該在線測(cè)溫報(bào)警系統(tǒng)便于新設(shè)備安裝和老設(shè)備的改造安裝，且該裝置裝入后不影響高壓柜原有的絕緣性能。
2、 超溫報(bào)警的溫度測(cè)量限值準(zhǔn)確，能正確反映觸頭的運(yùn)行溫度和過熱超溫狀態(tài)。該系統(tǒng)除了已提過優(yōu)點(diǎn)外，另有簡(jiǎn)單可靠成本較低的特點(diǎn)。
3、 該系統(tǒng)能夠數(shù)字顯示六個(gè)爪頭溫度和柜內(nèi)空間溫度，還能顯示觸頭的溫升系數(shù)，該系統(tǒng)的技術(shù)已成熟可靠，已達(dá)到推廣應(yīng)用的市場(chǎng)要求。
行業(yè)動(dòng)態(tài)
