（高电压与绝缘技术专业论文）基于光纤光栅的开关柜温度在线监测系统的开发及应用.pdf

j i 孓 ， 声明户日明 m 1 1 1 1 1 1 1i i iii l lu1 1 , l l l illi 17 8 6 0 2 6 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于光纤光栅的开关柜温度在 线监测系统的开发及应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指 导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王纽丑兰 日 期：塑：笪! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：场痒 日 期：卫& ：坐 导师签名：姥专。选 厶 i 一- - - _ - _ _ - _ - _ _ - 一 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 高压开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线路故 障保护、监测运行电量数据等重要作用。高压开关柜隔离触头的温度监测一直是电 力工业安全运行的重大课题之一。本文在对光纤光栅温度测量原理的研究与应用的 基础上设计了一套基于光纤光栅传感器的高压开关柜温度在线监测系统。文中阐述了该 系统现场总体设计思路、系统开发以及其实现的功能，介绍了系统现场安装和该系统具 体应用，最后通过在工程实际中的应用从而验证了该系统在温度在线监测中的可行性以 及使用价值。 关键词：光纤光栅，测温，高压开关柜，在线监测 a b s t r a c t h i g hv o l t a g es w i t c h g e a ri si m p o r t a n te q u i p m e n ti nt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne l e c t r i c i t y , s u c ha sc l o s i n ga n db r e a k i n gp o w e rl i n e 1 i n e t a u i tp r o t e c t i o n ，m o n i t o r i n gd a t aa n ds oo n m o n i t o r i n gt e m p e r a t u r eo fi s o l a t i o n c o n t a c to f h i g hv o l t a g es w i t c h g e a rh a sb e e no n eo ft h em a j o ri s s u e so ft h es a f eo p e r a t i o no fp o w e r i n d u s t r y a c c o r d i n gt o t h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fp r i n c i p l e so ff i b e r b r a g gg r a t i n g t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t w ed e s i g n e dat e m p e r a t u r e - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rh i g h v o l t a g es w i t c h b o a r db a s e do nf i b e rg r a t i n gs e n s o r t h ep a p e rd e s c r i b e st h eo v e r a l lo n s i t e d e s i g no ft h es y s t e m ，s y s t e md e v e l o p m e n ta n dt h er e a l i z e df u n c t i o n ，t h eo n s i t ei n s t a l l a t i o n a n ds p e c i f i ca p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d ，a n df i n a l l yt h r o u g ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h e w o r k s ，w ep r o v et h ef e a s i b i l i t ya n dv a l u eo ft h et e m p e r a t u r eo ft h es y s t e mi n 1 i n em o n i t o r i n g w a n g x i n t o n g ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db y ：p r o f z h a n gz h o n g y u a n k e yw o r d s ：f i r b eb r a g gg r a t i n g ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , h i g h v o l t a g e s w i t h g e a r , o n - l i n em o n i t o r - 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 背景和意义1 1 2 研究现状和基本原理3 1 3 本文所做的工作”5 第二章高压开关柜基本知识和发热分析7 2 1 高压开关柜基本知识一7 2 1 1 高压开关柜简介7 2 1 2 高压开关柜组成及分类9 2 1 3 高压开关柜总体质量要求l o 2 1 4 开关柜包装运输保管及开箱验收要求1 2 2 1 5 高压开关柜常见故障缺陷及处理方法1 2 2 2 开关柜发热原因分析1 1 3 2 3 本章小结1 6 第三章光纤光栅温度监测1 7 3 1 光纤测温的发展1 7 3 2 光纤温度传感器的种类一1 7 3 3 光纤光栅温度传感器的原理一18 3 4 几种测温原理的优劣比较2 0 3 4 1 光纤测温与普通测温的比较2 0 3 4 2 光纤测温与红外测温的比较2 l 3 4 3 光纤测温与光电结合型测温系统比较2 2 3 4 4 光纤测温与基于喇曼散射机理的测温系统比较2 2 3 5 本章小结2 3 第四章高压开关柜温度在线监测系统2 4 4 1 温度在线监测系统开发2 4 4 1 1 监测方案设计2 4 4 1 2 开关柜温度在线监测系统框架方案2 5 4 1 3 开关柜温度在线监测系统开发2 6 4 2 开关柜温度在线监测系统功能2 8 4 2 1 系统实现的功能2 8 4 2 2 系统测试情况及分析2 8 4 3 现场应用2 9 i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 3 1 监测仪的结构和功能2 9 4 3 2 系统安装应用3 0 4 3 3 系统运行状况3 7 4 4 前景展望3 8 4 5 本章小结3 8 第五章总结3 9 参考文献4 1 致谢4 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 4 n 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 背景和意义 第一章引言 现代社会对电能的依赖性极高，用电密度越大的地区对电的依赖性越高，因而对 供电设备的可靠性提出了越来越高的要求。近几年电力事业飞速发展，无人值守变 电站日益增多，而封闭式高压开关柜以其安全可靠、结构紧凑、占地省、操作方便等优 点，在开关站、小区配电室、变电站内广泛使用。 作为目前普遍使用的小车式开关柜由于断路器与开关柜之间采用插头联接，小 车与开关柜因制造、运输及安装不良等都引起触头接触不良，接触电阻增大，出现触 头温升过高，甚至烧毁，造成停电，这些现象在大电流开关柜如进线柜上尤为突出，且 影响极大。 据不完全统计，国内不少发电厂、供电公司均出现过不同程度的高压开关柜事 故并造成了一定的经济损失，这些事故一方面来自开关柜本身的制造质量问题，更 重要的原因在于目前缺乏针对开关柜的有效监测手段。 据统计，开关柜故障主要出现在以下几方面： 电厂及变电站中高压开关柜内部元件绝缘受损，造成击穿。 电厂和变电站的高压开关柜内部接头或接合部位的温度异常。 电厂及变电站的高压开关柜内部环境污湿或承受过电压，造成闪络。 导体和绝缘是电力系统中不可缺少的两部分，长期以来，电力系统一直比较重 视绝缘监督，绝缘事故越来越少，而对导体监督就缺乏有力的管理和技术上的检测 手段，导体是电力系统能量的传输动脉，导体接头等的性能对电力系统安全和传输 性能至关重要。 高压开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线路故 障保护、监测运行电量数据等重要作用，高压开关柜以其安全可靠、结构紧凑、占 地省、操作方便等优点，在开闭站、小区配电室、变电站内广泛使用，其运行可靠 性也因而受到了更多的重视。目前，唐山供电公司运行的高压开关柜共有2 3 5 7 面。 封闭式高压开关柜的一次设备分布在三个相互独立的隔离室内，分别是开关室、母 线室、出线室，按有关的规程要去，除实现电气连接、控制、通风而必须在隔板开孔外， 所有隔离室呈封闭状态。在开关室内的主开关上一般有六个主插头，有十八个流过负荷 电流的连接点；在出线室有连接出线电缆的三个主接头和链接旁路刀闸的十几个接点， 以上所说连接点直接流过负荷电流，但负荷较大时存在隐患的连接点就会发热。由于发 热点在密封柜内，运行中的柜门禁止打开，值班人员无法通过正常的监视手段发现发热 缺陷，发热严重是接头会变红甚至熔断，直接造成生产事故。封闭式高压柜内接头发热 华北电力大学工程硕士学位论文 事故在近几年屡有发生，封闭式开关柜内接头发热事故在近几年有增长的趋势，已经成 为严重影响安全生产的难题。l o k v 开关直接承担着用户负荷，其中不少是重要负荷，如 果发生突然停电事故，不但会造成不良的社会影响，而且给供电部梦造成很大的经济损 失。通过在线监测开关柜内触点温度的运行情况，可以有效的防止开关柜的火灾发生。 高压开关柜内主回路开关接触点运行温度很难监测，主要有以下因素：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下的适应性。主回路带高压( 1 0 k v 以上) ，柜内空间狭小， 电气安全距离限制在柜内安装监测设备；柜内电磁干扰，运行温度高，环境恶劣。近几 年电力生产中广泛运用各种先进的温度测试设备，如：红外热成像仪、红外测温仪等， 取得了很好的效果，电力设备接头的温度得到了有效监视，接头发热事故大大减少。封 闭式高压柜在运行中不能打开，因此无法测量运行中柜内接头的实际温度，因此，开发 一种适用于监测高压开关柜触点温度的高性能、低成本的装置，对提高高压开关安全运 行水平，减少电力设备的运行事故，提高经济效益和社会效益等方面都具有重大意义。 现在经常使用的柜内接头发热监视方法主要有：在接头粘贴测温蜡片；手摸柜门感 知柜内温度；通过异常气味发现设备过热；通过异常音响发现设备过热等。粘贴测温蜡 片是室外接头常用的测温法，用在封闭柜内有很大局限性，大部分接头通过柜门的观察 窗看不到，只能在开关停电检修时检查有无过热情况，对预防事故作用不大。手摸柜门 的方法可大概判断温度有无异常，但是这种方法具有很大的随意性和偶然性，而且由于 个人感觉的差异，相同情况也会有不同的判断。当有过热的接头时，一定会有异常气味 或者声音，特别是连接电流互感器的接头发热时，可以发出强烈的一场气味，工作人员 可以根据气味的来源做出进一步的判断。总之，通过综合应用以上几种方法可以大概判 断开关柜内有无接头发热故障，但是不科学、不严谨，对无人值班变电站、开关站无实 用价值。 近年来，随着电力系统的容量不断增大，运行条件更加苛刻，系统故障造成的 经济损失越来越大。为了保障输变电系统的运行安全，国内外电力行业普遍对电力 设备运行的可靠性提出了越来越高的要求。所以，对电力设备运行状态的在线检测、 故障诊断和及时维修日益受到人们的高度重视。为使实时监测目的的实现，开发一种 能即时监测触头温升的装置显得非常迫切( 国外已有个别公司开发了这类产品) 。而 在各种传感器技术中，光纤传感器近几年发展迅速，目前已经能够用光纤传感器实现 压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量检测，这些应用都归功于光纤，具有 体积小与重量轻带来的结构简单、使用方便，耐高压、耐高温和抗电磁干扰等特点以 及长的作用距离带来的高灵敏度。 随着光纤技术的发展，光纤传感器技术在电力设备故障检测中的应用得到了逐步推 广，其中分布式光纤测温技术彻底解决了困扰电力设备运行中过热监测的难题，可实现 了对电力设备故障发热敏感部位温度的准确实时的在线监测和故障预警、精确定位。采 2 华北电力大学工程硕士学位论文 用光纤光栅原理测温技术有以下特点：传输线路采用光纤光缆，抗电磁干扰能力强，使 用准分子技术在光纤本体上制造的光纤光栅温度传感器的功能类似于点状的电信号温 度传感器，不锈钢外壳封装，热反应时间短，在同一条监测回路中可以将多个探头串联 使用，从而实现了对多个目标温度的快速准确测量。 目前对高压开关柜的监测大都基于人工巡检，用手持式红外测温仪获得开关柜 内的温度数据，但由于开关柜的结构越来越复杂，元件遮挡的影响使得红外测温仪 往往无法获得准确的温度数据；同时人工操作中的失误不可能完全避免，且巡检时 间间隔相对于故障发展时间来说也过长。通过光纤测温在线监测开关柜内触点温度的 运行情况，可有效防止开关柜的火灾发生，而短期的触点温度预测可以对有缺陷隐患的 设备提前预警，提高设备运行的可靠性，增加设备使用的寿命。因此，光纤测温在线监 测开关柜内触点温度系统是一种新型高精度、高可靠性、低成本的高压开关柜触点温 度在线监测装置，对提高高压开关安全运行水平，减少电力设备的运行事故，提高经济 效益和社会效益等方面都具有重大意义。 1 2 研究现状和基本原理 目前，传统的测温方式主要还是采用粘贴示温腊片、红外成像等，但由于为了 保证高压开关柜较高的防护等级要求，开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多， 有很多位置无法直接观察到腊片熔化情况或者无法通过红外热像仪直接获得相应 的红外图谱而且红外仪成本较高，因此传统的测温方式对开关柜还存在较多盲点。 针对人工巡检的不足，各科研院所和生产厂家开发了一系列新型的高压开关柜 温度监测装置，在一定程度上克服了人工巡检的弱点。如红外探头测温、接触式测 温红外线传输、无线传输、光纤测温等，几种测温原理的优劣比较如下： 1 红外探头测温 采用红外探头测温是在开关柜体上安装若干红# i - n 温探头，通过接收电触头的 红外辐射来确定其温度。但是此种方式容易受到开关柜内部元件对外红外辐射光路 遮挡的影响，不能准确得到触头温度，虽然可以采取一定的校正，但红外辐射的影 响因素多具有事变性，无法一一校对，此外红外测温为非接触式测温，只能测设备 表面的温度，因而这种方式通用性较差，无法推广使用。 2 接触式测温、红外信号传输 采用传统的接触式温度传感器( 热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传 感元件等) 测温，传感器信号处理电路安装在高压母线上，电源通过感应线圈从高 压母线获得。测量所得信号经数字编码后驱动红外发射管，由安装于柜体低电位上 的红外接收管接收红外信号，再通过解码电路得到温度数据。此种方式需要将温度 检测器和获取电源的感应线圈安装于高压母线上，这在空间狭小的开关柜内部安装 华北电力大学工程硕士学位论文 较为困难，同时有可能减小开关柜内部的绝缘净距。 3 接触式测温、无线信号传输 同样采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现测温，传感 器需要通过高品质的电池供电，以实现与中间处理单元的无线数据传输，中间处理 单元通过网络方式，采用数据管理系统实现变电站数据分析及报警功能，由于采用 电池供电，维护工作量较大，同时这种方式测试精度较低，抗电磁干扰性能较差。 4 光纤测温 光纤测温的关键部件是温度传感器，包括分布式光纤温度传感器、干涉型光纤 温度传感器、光纤光栅温度传感器等。光纤温度传感器是光纤传感器中发展最快的 一个分支，它取代传统的温度传感器，如电阻应变片，与电阻应变片相比，光纤传 感器具有体积小，重量轻，不受电磁干扰，抗辐射，分布式测量等显而易见的优势， 所以它特别适合在易燃，易爆，和强电磁等特殊的场合应用。 传统的光纤传感器一分布式光纤传感器和干涉型光纤传感器一绝大部分都是 “光强型”和“干涉型”的，前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光 纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度，典型产品有基于o t d r 技术的分布式光纤测温系统；后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干 涉条纹清晰，而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等，使光纤光路的灵活和 连接的方便等优点将大打折扣，而且它是一种“过程传感器”而不是“状态传感器” 必须要有一个“固定参考点”，这样就给光纤传感器的应用带来了难度，典型产品 有加拿大f i s o 公司基于f a b r y p e r o t 干涉仪技术的光纤温度、应力变形测试仪。 光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传感器。光纤光栅是2 0 世 纪9 0 年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，利用光纤光栅制成多种传感器如 温度、应变、应力、加速度、压强等传感器。光纤光栅传感器除了具有普通光纤温 度传感器的许多优点外，还有一些明显优于其他光纤传感器的方面。其中最重要的 就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、 光纤弯曲、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位 测量的不清晰和对固有参考点的需要：不同的光纤光栅传感器可具有不同的工作波 长，因此可以利用波分复用技术，在一根光纤级联多个光纤光栅传感器作分布式测 量；很容易埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围测量量。光纤光栅传 感器具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。 特别适合在易燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。 光纤光栅温度传感器原理是利用光纤的光敏性，即光纤纤芯在受到特定波长和 高于一定强度的激光照射时，折射率会发生永久性变化这特性制成的一种光纤 无源器件。由于光纤的光敏性主要取决于纤芯材料，现在广泛用于通信和传感领域 的光纤光栅主要是用紫外光照射掺锗石英光纤而成的。由于纤芯受到紫外光( 一般是 4 华北电力大学工程硕士学位论文 双光束干涉) 的照射致使纤芯内部折射率形成周期性调制分布，所谓调制就是本来沿 光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。当宽带光传播到光纤光栅时，满 足布拉格条件的一定波长的光将会被反射。光纤光栅在典型的o 1 纳米到几十纳米 的带宽内反射率可以达到1 0 0 ，从而实现按波长编码对光进行选择。通常把光栅 周期小于l 微米的均匀周期光纤光栅称为光纤布拉格光栅，简写为f b g ( f i b e r b r a g gg r a t i n g ) 。 光纤光栅测温系统由光纤光栅温度传感器、单模光缆( 用于远距离信号传输) 、 光纤温度在线监测仪及计算机终端等设备组成。系统工作时，光纤温度在线监测仪 内部光源发出连续的宽带光，经光缆传输到监测现场布设的光纤光栅温度传感器， 这些传感器内部的测量敏感元件一一光纤光栅对该宽带光有选择地反射回相应的 一个窄带光，经同一传输光缆返回到光纤温度在线监测仪来测定出各个传感器所返 回的不同窄带光的中心波长，从而解析出各监测点的温度值。 随着光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 制作工艺的不断提高，特别 是f b g 自动化生产平台的建立，制作出高性能、低成本的可靠f b g 已经成为可能。 同时近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟，已经扩大了光纤布拉格光栅传 感器的应用，并为智能传感这一新思路创造了的一个新的机遇。电力系统温度监测， 智能油井和管道，智能土木工程建筑，以及智能航空、航海传感都需要高质量、低 成本、稳定性好、传感特性精密的光学传感器，f b g 传感器阵列由于其波长编码、 可同时测量多个物理量( 温度、应力、压力等) 以及一路光纤上应用波分复用技术 等自身的优点在上述领域已经得到了广泛关注。世界著名的电力设备厂商a b b ，在 过去的两年里，分别投资超过一亿美元购买光纤布拉格光栅传感器技术，广泛应用 于各类电力设备的温度监测。国际上已经基本实现了光纤光栅传感器的产业化和工 程化，而国内主要集中在一些研究单位，如哈尔滨工业大学，南开大学及黑龙江大 学等。 1 3 本文所做的工作 本项目所研究的主要内容是变电站高压开关柜内接点温度的在线监测，项目实 施过程中重点解决：光纤光栅绝缘封装，传感器的安装布线以及连接光缆的爬电等 问题。 主要研究内容： l 、开关柜发热特性的分析； 2 、光纤布拉格光栅测温的优势分析： 3 、光纤光栅温度传感器以及光纤传输部分的绝缘特性研究： 4 、传感器的检测与分析( 波长漂移、测量精度等) ； 华北电力大学工程硕士学位论文 分布式测温和集中监测系统的构建。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章高压开关柜基本知识和发热分析 2 1 高压开关柜基本知识 2 1 1 高压开关柜简介 一基本概念 1 开关柜( 又称成套开关或成套配电装置) ：它是以断路器为主的电气设备； 是指生产厂家根据电气一次主接线图的要求，将有关的高低压电器( 包括控制电器、 保护电器、测量电器) 以及母线、载流导体、绝缘子等装配在封闭的或敞开的金属 柜体内，作为电力系统中接受和分配电能的装置。 2 高压开关设备：主要用于发电、输电、配电和电能转换的高压开关以及和 控制、测量、保护装置、电气联结( 母线) 、外壳、支持件等组成的总称。 3 开关柜防护要求中的“五防”：防止误分误合断路器、防止带电分合隔离开 关、防止带电合接地开关、防止带接地分合断路器、防止误入带电间隔。 4 母排位置相序对应关系： 表2 1 母线位置相序对应表 母线安装相互位置 相别漆色 垂直水平引下线 a 相黄上迈左 b 相 绿中中中 c 相 红 下近右 5 防护等级：外壳、隔板及其他部分防止人体接近带电部分和触及运动部件 以及防止外部物体侵入内部设备的保护程度。 表2 2 保护级别表 防护等级 简称定义 i p lx防止直径大于1 防止直径大于5 0 m m 的固体进入壳内；2 防止人 5 0 m m 的物体体某一大面积部分( 如手) 意外触及壳内带电部 分或运动部件 i p 2 x防止直径大于 1 防止直径大于1 2 5 m m 的固体进入壳内： 1 2 5 m m 的物体2 防止手触及壳内带电部分或运动部件 i p 3 x防止直径大于 1 防止直径大于2 5 m m 的固体进入壳内： 2 5 m m 的物体2 防止厚度( 直径) 大于2 5 m m 工具或金属线触及 柜内带电部分或运动部件 华北电力大学工程硕士学位论文 i p 4 x防止直径大于l m m1 防止直径大于l m m 的固体进入壳内； 的物体2 防止厚度( 直径) 大于l m m 工具或金属线触及柜内 带电部分或运动部件 i p 5 x防尘 1 能防止灰尘进入达到影响产品的程度； 2 完全防止触及柜内带电部分或运动部件 i p 6 x尘密 1 完全防止灰尘进入壳内；2 完全防止触及柜内 带电部分或运动部件 二开关柜的主要特点： 1 有一、二次方案，这是开关柜具体的功能标志，包括电能汇集、分配、计量 和保护功能电气线路。一个开关柜有一个确定的主回路( 一次回路) 方案和一个辅助 回路( 二次回路) 方案，当一个开关柜的主方案不能实现时可以用几个单元方案来组 合而成。 2 开关柜具有一定的操作程序及机械或电气联锁机构，实践证明：无“五防” 功能或“五防功能不全 是造成电力事故的主要原因。 3 具有接地的金属外壳，其外壳有支承和防护作用。因此要求它应具有足够 的机械强度和刚度，保证装置的稳固性，当柜内产生故障时，不会出现变形，折断 等外部效应。同时也可以防止人体接近带电部分和触及运动部件，防止外界因素对 内部设施的影响；以及防止设备受到意外的冲击。 4 具有抑制内部故障的功能，“内部故障”是指开关柜内部电弧短路引起的故 障，一旦发生内部故障要求把电弧故障限制在隔室以内。 三高压开关柜正常使用条件： 1 环境温度：周围空气温度不超过4 0 。c ( 上限) ，一般地区为5 。c ( 下限) ，严寒 地区可以为15 。环境温度过高，金属的导电率会减低，电阻增加，表面氧化作用 加剧；另一方面，过高的温度，也会使柜内的绝缘件的寿命大大缩短，绝缘强度下 降。反之，环境温度过低，在绝缘件中会产生内应力，最终会导致绝缘件的破坏。 2 海拔高度：一般不超1 0 0 0 米。对于安装在海拔高于1 0 0 0 米处的设备，外 绝缘的绝缘水平应将所要求的绝缘耐受电压乘以修正系数k a k a = l ( 1 1 - h 1 0 4 ) 来 决定。由于高海拔地区空气稀薄，电器的外绝缘易击穿，所以采用加强绝缘型电器， 加大空气绝缘距离，或在开关柜内增加绝缘防护措施。 3 环境湿度：日平均值不大于9 5 ，月平均值不大于9 0 。 4 地震烈度：不超过8 度。 5 其它条件：没有火灾、爆炸危险、严重污染、化学腐蚀及剧烈振动的场所。 2 1 2 高压开关柜组成及分类 一开关柜的组成： 8 华北电力大学工程硕士学位论文 开关柜应满足g b 3 9 0 6 1 9 9 1 3 3 5k v 交流金属封闭开关设备标准的有关要 求，由柜体和断路器二大部分组成，具有架空进出线、电缆进出线、母线联络等功 能。柜体由壳体、电器元件( 包括绝缘件) 、各种机构、二次端子及连线等组成。 1 柜体的材料：冷扎钢板或角钢( 用于焊接柜：敷铝锌钢板或镀锌钢板( 用于组 装柜) ；不锈钢板( 不导磁性) ；铝板( ( 不导磁性) 2 柜体的功能单元：主母线室( 一般主母线布置按“品 字形或“l 字形两种 结构；断路器室；电缆室；继电器和仪表室；柜顶小母线室；二次端子室。 3 柜内电器元件： ( 1 ) 柜内常用一次电器元件( 主回路设备) 常见的有如下设备： 电流互感器简称c t 女i ：i ：l z z b j 9 1 0 】 电压互感器简称p t 女1 1 ：j d z j 1 0 】 接地开关 如：j n l 5 1 2 】 避雷器( 阻容吸收器) 如：h y 5 w s 单相型；t b p 、j b p 组合型】 隔离开关 如：g n l 9 1 2 、g n 3 0 1 2 、g n 2 5 一1 2 】 高压断路器 如：少油型( s ) 、真空型( z ) 、s f 6 型( l ) 】 高压接触器 如：j c z 3 1 0 d 4 0 0 a 型】 高压熔断器 如：r n 2 - 1 2 、x r n p 1 2 、1 w l - 1 2 】 变压器【如：s c ( l ) 系列干变、 s 系列油变】 高压带电显示器 g s n - 1 0 q 型】 绝缘件 如：穿墙套管、触头盒、绝缘子、绝缘热缩( 冷缩) 护套】 主母线和分支母线 高压电抗器 o n 串联型：c k s c 和起动电机型：q k s g 负荷开关【如：f n 2 6 1 2 ( l ) 、f n l 6 - 1 2 ( z ) 】 高压单相并联电容器 如：b f f l 2 3 0 - 1 】等等 ( 2 ) 柜内常用的主要二次元件( 又称二次设备或辅助设备，是指对一次设备 进行监察、控制、测量、调整和保护的低压设备) ；常见的有如下设备：继电器； 电度表、电流表、电压表、功率表、功率因数表、频率表：熔断器；空气开关；转 换开关；信号灯；电阻；按钮；微机综合保护装置等等。 二高压开关柜分类： 1 按断路器安装方式分为移开式( 手车式) 和固定式 ( 1 ) 移开式或手车式( 用y 表示) ：表示柜内的主要电器元件( o n ：断路器) 是 安装在可抽出的手车上的，由于手车柜有很好的互换性，因此可以大大提高供电的 可靠性，常用的手车类型有：隔离手车、计量手车、断路器手车、p t 手车、电容器 手车和所用变手车等，如k y n 2 8 a - 1 2 。 ( 2 ) 固定式( 用g 表示) ：表示柜内所有的电器元件( 如：断路器或负荷开关等) 9 华北电力大学工程硕士学位论文 均为固定式安装的，固定式开关柜较为简单经济，如x g n 2 1 0 、g g 1 a 等。 2 按安装地点分为户内和户外 ( 1 ) 用于户内( 用n 表示) ；表示只能在户内安装使用，如：k y n 2 8 a 1 2 等开 关柜。 ( 2 ) 用于户外( 用w 表示) ；表示可以在户外安装使用，如：x l w 等开关柜。 3 按柜体结构可分为金属封闭铠装式开关柜、金属封闭间隔式开关柜、金属 封闭箱式开关柜和敞开式开关柜四大类。 ( 1 ) 金属封闭铠装式开关柜( 用字母k 来表示) 主要组成部件( 例如：断路 器、互感器、母线等) 分别装在接地的用金属隔板隔开的隔室中的金属封闭开关设 备。如k y n 2 8 a 1 2 型高压开关柜。 ( 2 ) 金属封闭间隔式开关柜( 用字母j 来表示) 与铠装式金属封闭开关设备 相似，其主要电器元件也分别装于单独的隔室内，但具有一个或多个符合一定防护 等级的非金属隔板。如j y n 2 1 2 型高压开关柜。 ( 3 ) 金属封闭箱式开关柜( 用字母x 来表示) 开关柜外壳为金属封闭式的开 关设备。如x g n 2 1 2 型高压开关柜。 ( 4 ) 敞开式开关柜，无保护等级要求，外壳有部分是敞开的开关设备。如 g g 1 a ( f ) 型高压开关柜。 2 1 3 高压开关柜总体质量要求 一柜体的质量要求 1 柜体外形尺寸要求见下表 表2 3 柜体尺寸表 尺寸范围偏差值m m m m 宽深问 4 0 0 - 10 0 01 8o1 5 1 4 1 0 0 l - 2 0 0 02 201 8 5 2 3 2 0 0 1 3 0 0 02 7 2 焊接柜焊缝表面应平整光洁，均匀无焊穿、焊瘤、无焊渣、裂纹、夹渣， 不允许有严重的弧坑、气孔、溅渣。 3 产品正面、侧面、后面的涂层不允许有皱纹、起泡、透底、划伤等，且同 一批产品漆色应一致。 4 绝缘| 白j 隙必须达到国家标准1 0 k v 带电体之间或带电体对地空气绝缘间隙 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 5 m m ，不能达到则必须加绝缘护套、绝缘隔板来加强绝缘。 5 机构动作应保持灵活，联锁应可靠、程序正确。 6 各配件的紧固件应无松动现象。 二断路器选型及品牌要求 各柜型应尽可能配置适合该柜型的常规断路器型号 1 k y n 2 8 a 1 2 常规配置的断路器为v s l ( z n 6 3 a 1 2 ) ，国内比较著名的生产厂家 有浙开、宁波天安、宁波耐吉、常州森源、北开等公司。 也可配a b b 公司生产的v d 4 真空断路器、上海富士电机开关有限公司生产的h s 型( z n 8 2 1 2 ) 真空断路器、中外合资厦门华电开关有限公司生产的v e p 型 ( z n 9 6 1 2 ) 真空断路器，但以上三种断路器价格较为昂贵。 2 x g n 3 7 1 2 配用浙开生产的固定式z n 6 3 a 1 2 ( v s l ) 真空断路器或a b b 公司 生产的固定式v d 4 真空断路器。 3 x g n 2 1 2 可采用z n 2 8 a 1 2 分体式真空断路器( 浙开、宁波天安、宁波耐 吉等公司) 还可配用z n 2 8 d 1 2 ( 浙开) 、固定式v s l 1 2 ( 浙开) 、z n l 2 1 2 ( 浙开、 北开) 、z n 6 5 1 2 ( 天水长城) 等整体式真空断路器。 4 g g l a ( f ) 配z n 2 8 a 1 2 型分体式真空断路器外，还可配用固定式v s l 1 2 等机构一体化式真空断路器。 5 h x g n l1 1 2 主要配f n l 6 a 1 2 真空负荷开关( 宁波天安集团) 。 6 h x g n 2 6 1 2 主要配f n 2 6 a 1 2 真空负荷开关( 浙江开关厂有限公司、宁波 天安集团) 。 三其它元器件选用要求 1 应尽可能考虑该元器件为该型开关柜常规配置，如有特殊规格应同开关柜 厂家进行沟通。 2 考虑元器件的外形尺寸是否适合装于该型开关柜。 3 要注意考虑匹配，不是最昂贵、最先进的元器件装在任何柜型都能实现最 佳功能。 4 不要随意的指定配件厂家，否则不利于产品的按时交货，元器件的质量也 很难得到保证，而且还大大的提高了采购成本；当然为了保证产品质量可大致圈定 几家知名的厂家。 四装配工艺要求 1 所有的紧固件不得有松动现象。 2 各门及活动件转动必须灵活。 3 保证带电体之间及带电体对地的空气绝缘距离。 4 保证隔离断路器传动部件的灵活可靠性。 l l 华北电力大学工程硕士学位论文 5 保证联锁的安全、可靠性，保证“五防”功能的完善。 6 文明施工，不得造成元器件的损坏。 7 产品出厂前须清扫各部位尘土，特别是绝缘材料表面的污浊。 2 1 4 开关柜包装运输保管及开箱验收要求 一包装运输及保管要求 1 包装时，产品必须用螺钉固定在包装箱底板上。 2 运输及移动过程中，只准直立放置不得倒置、倾翻、翻滚摔下。 3 产品在安装前，应以原包装存放在库房中，如不能入库房，应防止淋雨， 以免产品受潮 4 避免剧烈震动，防止靠近火源。 5 不得随意拆卸电气元件及零部件。 6 拆卸及安装过程中不得野蛮施工，避免造成柜体或柜内元器件的损伤。 二开箱验收要求 1 收货后核对包装箱上的合同号，收货单位是否有误。 2 应在干燥及不淋雨的场所拆箱，拆箱时注意保护产品，不得损伤。 3 拆箱后立即查看是否发生柜体变形，同时查看是否有元器件脱落散架和损 坏，检查柜内是否进水或有严重受潮现象。 4 应注意查收随柜所附的： ( 1 ) 产品合格证 ( 2 ) 安装使用说明书 ( 3 ) 二次接线图 ( 4 ) 产品出厂试验报告 ( 5 ) 装箱清单 5 按产品装箱清单核对开关柜数量是否有误，随柜文件及数量是否正确，随 柜的附件及备品备件是否有漏。 2 1 5 高压开关柜常见故障缺陷及处理方法 一故障的预防措施 开关柜在调试、运行过程中由于各种各样的原因会发生故障，为减少故障频率 应进行下列项目的检修： 1 检修程序锁和联锁，动作保持灵活可靠，程序正确。 2 按断路器、隔离开关、操作机构等电器的规定进行检修调试。 3 检查电器接触部位，看接触情况是否良好，检测接地回路。 4 有手车的须检查手车推进机构的情况，保证其满足说明书的有关要求。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 5 检查二次辅助回路有无异常，并进行必要的检修。 6 检查各部分紧固件，如有松动应立即紧固。 7 检查接地回路各部分的情况，如接地触头，主接地线及过门接地线等，保 证其导电的连续性。 8 对s f 6 负荷开关须检查气体压力指标数据，视情况及时进行补气。 9 清扫各部位的尘土，特别是绝缘材料表面的尘土。 1 0 发现有异常情况，如不能解决可同开关柜厂家联系。 二常见故障及处理方法 1 绝缘故障：绝缘故障形式一般有：环境条件恶劣破坏绝缘件性能、绝缘材 料的老化破损、小动物进入等原因造成的短路或击穿。定期检修发现绝缘材料老化 或破损立即更换，清除绝缘材料表面的污渍，电缆沟、开关室安装防护板防止小动 物进入，发生故障查找原因并立即整改 2 操作机构故障：经常是由于造成拒分拒合线圈烧坏，检查原因并立即更改， 同时更换新的线圈 3 保护元器件选用不当的造成的故障：如熔断器额定电流选用不当，继电器 整定时间不匹配等原因造成的事故，发生故障及时查找原因并更换合适的元器件 4 不按操作规程造成的事故：由于末按操作规程操作造成的误分误合或造成 元器件损坏引起的故障，应了解产品操作规程，按程序操作 5 由于环境变化引起的故障：如由于环境温度、湿度及污染指数等的急剧变 化引起的故障，应注意改善环境如：安装空调加热器、了解污染源并及时清除等方 法解决 2 2 开关柜发热原因分析 高压开关柜的一次设备分布在3 个相互独立的隔室内，分别是开关室、母线室、 出线室。按有关的规程要求，除实现电气连接、控制、通风而必须在隔板上开孔外， 所有隔室呈封闭状态。在开关室内的主开关上一般有6 个主插头，相当于隔离开关 作用，其与主开关一般通过螺栓紧固并采用绝缘封装；在出线室有连接出线电缆的 3 个主接头，连接电流互感器的6 个主接头；母线室有连接本间隔插头座的3 个接 头。以上连接点直接流过负荷电流，当负荷较大时存在隐患的连接点就会发热。由 于发热点在密封柜内，运行中的柜门禁止打开，值班人员无法通过正常的监视手段 发现发热缺陷。发热严重时接头会变红甚至熔断，直接造成生产事故。下面是我国 某市供电公司的高压开关柜测温报告图。 华北电力大学工程硕士学位论文 嬲霞麓霹翳嬲，。 嘲 一 瑚 | 霜 豳骥隰豳霹 单元名称：5 0 2 开关 温度：( o c ) abc 7 0 3 图2 - 1 上接头铝排后端红外测温图 麟熏震豳 圈 圈 国 一 愿阌 单元名称：5 8 1 电容器 温度：( o c ) abc 2 9 51 3 5 62 8 - 3 图2 - 2 电容器开关柜内套管上接头发热图 一喾 i 酞滋随幽冀 ： 单元名称： 5 4 5 开关 温度：( o c ) abc 8 5 98 5 4 1 2 2 1 图2 - 3 开关柜内电缆铝排发热图 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 - 4 开关柜内c t 上接头铝排发热图 封闭式高压柜内接头发热事故在近几年屡有发生。l o k v 开关直接承担用户负 荷，其中不少是重要负荷，如果发生突然停电事故，不 但会造成不良的社会影响，而且给供电部门造成很大的 经济损失。 2 0 0 6 年7 月，我公司某2 2 0 k v 变电站，在进行l o k v 电容器组送电操作时，主开关5 0 1 c 相下接线柱烧毁，上 接线柱闪络，原因为螺栓松动、发热。 2 0 0 9 年5 月，我公司某l1o k v 变电站的l o k v 5 0 2 开 关柜最高负荷达到3 0 m w ，由于5 0 2 5 隔离开关紧固不 到位松动，造成接触面发热，在大负荷情况下接触面严 重发热导致外绝缘护套燃烧，进而造成bc 相弧光短路， 进而发展为三相短路，造成主变时限速断保护动作跳闸。 2 0 0 9 年1 2 月，我公司某l l o k v 变电站，5 2 6 开关所带的用户出现三相短路故 障，导致原本就有发热缺陷的5 0 2 3 隔 离开关刀闸口在较大的故障电流下产生 火花放电，进而诱发三相弧光短路。 发生事故的主要原因有以下几个方 面： 1 设备本身质量问题： 设备在出厂前，各部件的组装质量， 特别是高压开关在出厂时均采用绝缘封 装，