张云朋，胡海燕，李义鹏，肖 睿，李艳山

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

0 前言

高压开关柜是石化企业电力系统中非常重要的电气设备，根据不同的分类方式，可分为户内式和户外式，或固定式和移开式。它将各种高压开关设备部件、母线、支撑绝缘子等部件，在安装现场装进外壳形成一整体，其内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良都会威胁其安全运行。由于柜体密封，不利于散热，而且长期处于高电压、大电流、强磁场的环境，使得热量集中，由此引发的设备过热故障居多，特别是在高温、高负荷期间，发生多起柜内触头过热、绝缘性能老化等原因引起的烧柜事故，主要集中在12～40.5 kV电压等级。石化企业中普遍应用的开关柜如图1所示。

图1 石化企业中典型的开关柜

1 开关柜发热故障原因分析

近年来，随着石化企业生产规模的扩大，一些大电流开关柜的过热现象时有发生。究其原因，一方面由于负荷激增，导致负载电流过大；另一方面由于开关柜的设计缺陷，导致柜内某些接触不良的部位发生过热，严重时引起温度远超阈值，最终因温度异常升高造成绝缘损坏，诱发短路放电而烧毁开关柜，引发停电事故。

在开关柜的运行中，导电回路是最主要的发热来源。开关柜中的发热现象主要有3种发热情况：①导体发热。这种情况下过热最可能出现的设备是配电供电装置的主供电线路，不仅是由于主供电线路在运行中需要长期通过较高的负荷电流所以导致发热明显，此外由于生产主供电线路材料的工艺局限，制造出的主供电线路的电阻率比较高，所以主供电线路的发热量会出现偏高的现象。另外主回路的过度发热是因为回路中接触面出现电化学腐蚀或者联接的螺栓松动导致接触不良引起过度发热；②接头发热。接头发热的部位主要有：刀闸的接头部位、刀闸引线连接部位以及互感器接线板的连接部位，从而出现发热量增大的现象；③涡流发热。这种发热是由于负荷电流产生变化的电磁场，变化的电磁场在开关柜各类金属材质的隔板、门板中产生的环流而产生的。由于发热量同电流成正比关系，当负荷电流较大时，开关柜的涡流发热效应就越明显。

为便于散热，开关柜中都设计了散热装置。在正常运行情况下，导体散发的热量可以通过散热装置排出来保证开关柜中各个元件的正常运行。但是当开关柜的运行出现了异常，发热量超过了其设计的能够排出的量，就会导致开关柜内温度快速升高，高温影响绝缘材料寿命，加速元器件损耗，发热严重时会造成事故。典型的开关柜过热故障如图2、图3所示。

图2 开关柜铜排过热引发周围绝缘层脱落柜

图3 开关柜触头过热引发的“烧柜”事故

2 解决方案

目前，高压开关柜采用的监测或巡视系统大多是固定阈值报警的方式。通过在线监测数值或巡视数据与预先设定的报警阈值相比较，若实时数据小于报警阈值，则电力系统工作正常；反之，工作异常。但是工程实际中存在这样的矛盾：若把阈值设置过高，当监测值大于阈值时，有些故障已经恶化；若把阈值设置过低，往往又会频繁产生错报。

综上所述，开关柜的发热主要集中在导体、接头部位，当开关柜的实际发热量超过设计发热量时就会发生过热故障；单一的阈值判据在过热故障判别方面存在一定的局限性，简单的阈值报警方式不能有效预警。因此，需采取一定的措施加强对开关柜导体、接头部位的监测，采用实时在线监测报警方式代替传统的阈值报警。

具体技术方案如图4所示。

a) 在开关柜导体、接头部位安装温度传感器，采集温度数据。

b) 将温度数据上传至数据处理单元，对温度数据进行汇总、初步分析。

c) 数据处理单元将处理后的数据上传至后台监控中心，对温度数据进行进一步分析，包括实时数据动态展示、历史数据记录、未来发展趋势分析等。

图4 开关柜温升在线监测方案

3 开关柜温升在线监测系统设计

3.1 温度传感器

目前，常用的测温方式有蜡片测温法、红外测温法、光纤测温法、热电阻测温等。每种测温方式都有其优缺点，从温度采集方式、测温局限性、温度读取方式、能否在线监测、有无智能报警、安装难易程度等方面，对以上各种检测方法进行对比分析，如表1所示。

在实际应用中，蜡片测温法的应用时间较早，使用也方便，将测温片贴在测温点即可，但其主要缺点是事后报警，即测温点过热后蜡片融化脱落才能显示报警，不能实时报告过热信息；光纤测温法以光纤作为温度传感器，将光纤敷设在待测物体周围，在较大空间范围内应用较多，如变压器设备、电缆测温等；红外测温法是利用发热物体发出的红外线测温，属于非接触测温，主要有点式测温仪和红外成像仪两种，在电气设备中的应用已非常广泛，但造价较高，大规模应用时企业会有较大的经济压力；热电阻测温法以热敏电阻作为温度传感器，属于接触式测温，其主要特点是测量精度高，性能稳定，适用于固定点的温度测量，而且应用成本较低，在开关柜触头温升的测量中应用广泛。

表1 各种测温方式优缺点对比

数据传输方式有无线传输和有线传输两种方式。开关柜中绝缘要求较高，空间狭小不便于施工，且有线传输方式布线复杂，因此宜采用无线传输方式。

开关柜温升在线监测系统温度传感器采用热电阻测温、无线传输方式,其主要功能是对开关柜内测温节点的温度进行测量，并进行简单的数据预处理。其供电方式可采用电池供电，或利用互感线圈从开关柜母排上取电，具体使用方式据现场安装情况而定。

当采用电池供电方式时，为尽可能延长电池的使用寿命，采用了低功耗设计。即每间隔10 s采集一次温度数据，并与上次存储的温度数据比较，判断近期有无温度异常，如正常运行，则再次进入休眠模式，直至达到5 min定时，将采集到的温度数据上传至数据处理单元。另一方面，还设置了电池电压在线监测功能，便于在电池电量即将耗尽时及时报警，提醒用户更换电池。同样出于低功耗的考虑，电池电压的监测采用每间隔24 h采集一次电池电压的方案。研发的温度传感器如图5、图6所示。

图5 互感取电式温度传感器

图6 电池供电式温度传感器

3.2 数据处理单元

数据处理单元主要对一定区域内数据采集单元的数据进行汇总、显示、存储并上传至后台上位机。数据处理单元在接收到传感器的数据后，先判断收到的数据有无异常，如无异常则继续接收，直到设定的时间时停止接收；若出现异常则产生报警信息，并将报警数据和信息上传至后台上位机。

数据处理单元安装有温湿度传感器，用以采集环境温度，同时为数据采集单元采集的数据提供参考值。通过与环境温度的比较，得出更具有参考价值的实际温升值。为便于显示各类数据信息及实现现场设置，数据处理单元还配置了工业级的电阻式触摸屏，可实时显示环境温湿度、各监测节点的温度、温升、电池电压等数据，以及故障报警信息的查询，并可现场设置报警阈值。数据处理单元还可通过GPRS或RS485等方式定时将数据上传至后台上位机进一步进行处理。

3.3 后台监控中心

后台监控中心通过收集各数据处理单元发送的数据，实现远端监测与控制，对历史监测数据进行分析存储，及时做出故障预警和报警，也可以在故障发生后，调取并分析所需时间范围内的监测数据，查找故障原因。

后台监控中心主要包括：实时数据监测、历史数据管理、发展趋势分析等功能模块。各功能模块的内容如表2所示。

表2 后台监控中心各功能模块

4 现场应用情况

为测试该系统的应用效果，在某炼化企业的10 kV开关柜上进行了试点应用。安装位置如图7所示。共安装20套温度传感器、3套数据处理单元、1套后台监控中心，共实现4套开关柜运行薄弱环节的实时监测、故障预警。

图7 安装位置示意

经现场检测，数据采集单元在低功耗模式下工作电流为8 μA，AD采样时工作电流为3 mA，在发送模式下的工作电流为35 mA。1 h内总的能量消耗为0.178 8 mWh，使用容量为2 700 mAh的电池，理论上的使用时间可达6.3年，可满足炼化企业长周期运行的需要。

温度传感器与数据处理单元的通信距离在30 m以上时，仍可实现正常通信，在普通的配电室内仅安装一台数据处理单元即可实现对多台开关柜设备运行温度的在线监测。

现场应用采用了电池供电式温度传感器，这种传感器成本较低、安装方式简便，但也存在体积较大、需要定期更换电池等问题。为解决这一问题，下一步将开发可靠性更高的互感取电式温度传感器，并推广应用。

另一方面，由于配电室现场环境复杂，障碍物较多，温度传感器与数据处理单元的通信有时存在断续现象。为此，需要提高温度传感器的发射功率，或者优化二者的通信方式，实现温度数据的稳定传输。

5 结语

随着炼化企业生产规模的扩大，其用电负荷也在不断增加。由于负荷激增，导致负载电流过大，此时如果开关柜因设计缺陷或维护不当等其他原因造成散热不良，最终将导致柜内过热，严重情况下将导致绝缘损坏，诱发放电短路而烧毁开关柜，甚至造成整个电力系统崩溃。

因此，为保障开关柜设备的正常运行，需及时监测开关柜的运行温度，在开关柜出现过热故障前及时采取相应措施，防止出现开关柜烧柜事故。此外，还应加强对开关柜设备的运行维护，使其处于良好的散热状态，并应根据负荷的需要选用适合的开关柜，避免开关柜过负荷运行。