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電力工業(yè)中高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測研究 高壓開關(guān)柜常見問題解決方法

時間:2020-07-08    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
  1引言
  
  高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測一直是電力工業(yè)安全運(yùn)行的重大課題之一,但是由于觸頭處在強(qiáng)電磁場、高電壓環(huán)境中,所以目前的監(jiān)測方法都是圍繞何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗強(qiáng)電磁場干擾和高電壓的隔離問題,主要方法有感溫紙測溫、紅外溫度測量[1-2]、F-P光學(xué)式測量[3]、感應(yīng)竊電方式測量[4]、光纖傳輸方式和紅外無線傳輸[5-6]等。而光纖光柵傳感器集測量和傳輸于一體,采用光波的形式進(jìn)行測量和傳輸,具有體積小、重量輕、傳輸損耗小、不受電磁場干擾和良好的絕緣性能等優(yōu)點(diǎn),因此非常適合高壓開關(guān)柜的觸頭溫度測量環(huán)境[7-10]?;谝陨蟽?yōu)點(diǎn),本文提出了一種采用光纖光柵溫度傳感器的觸頭溫度測量方案,同時采用合理的安裝技術(shù)解決了應(yīng)變交叉敏感的影響。
  
  2光纖光柵傳感器原理
  
  光纖光柵傳感器既能實(shí)現(xiàn)溫度的測量,又能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測量,這兩個物理量都能引起光纖光柵布拉格波長的變化[11]。
  
  光纖光柵的溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起的,熱光效應(yīng)引起光纖光柵的有效折射率的變化,而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期變化。當(dāng)光纖光柵傳感器所處的溫度場變化時,可推導(dǎo)出溫度對布拉格波長變化的影響為[12]
  
  式中a為光纖的熱膨脹系數(shù),主要引起柵格周期的變化,取5.5´10-7;x為光纖的熱光系數(shù),主要引起光纖的折射率變化,取5.5´10-6。光纖光柵傳感器的應(yīng)變特性是彈光效應(yīng)和彈性效應(yīng)共同作用的結(jié)果,彈性效應(yīng)會改變光柵的柵格周期,彈光效應(yīng)會改變光纖的有效折射率,其傳感特性可以表示為[13]。
  
  式中Pe為光纖的有效彈性系數(shù),Pe=0.22。正因?yàn)楣饫w光柵傳感器既能測量溫度又能測量應(yīng)變,所以在對高壓開關(guān)柜隔離觸頭實(shí)行溫度測量時,就要想辦法屏蔽由于開關(guān)柜振動引起的應(yīng)變對溫度測量精度的影響,這就是光纖光柵傳感器的應(yīng)變交叉敏感。
  
  3觸頭溫度測量系統(tǒng)方案
  
  3.1光纖光柵傳感器的安裝
  
  高壓開關(guān)柜的斷路器分為移動小車和開關(guān)柜兩部分,高壓開關(guān)柜的觸頭共有六個,分別分布在上側(cè)和下側(cè)的A、B、C三相上,那么為了保證系統(tǒng)的可靠性,必須對六個觸頭的溫度同時進(jìn)行監(jiān)測。如式(1)、(2)所示,由于光纖光柵傳感器對溫度、應(yīng)變同時敏感,為了保證溫度測量精度,必須屏蔽應(yīng)變的交叉敏感影響,即斷路器的分、合過程中產(chǎn)生的任何應(yīng)變都不應(yīng)傳遞給光纖光柵傳感器。本系統(tǒng)是通過把光纖光柵溫度傳感器單端固定在靜觸頭上,來屏蔽觸頭在碰撞過程中產(chǎn)生的應(yīng)變。另外,為了保證光纖光柵溫度傳感器對觸頭各點(diǎn)溫度測量的均勻性,系統(tǒng)充分利用靜觸頭的中間空位,把溫度傳感器固定在靜觸頭的中間位置,圖1是傳感器在單個靜觸頭的安裝示意圖。當(dāng)動觸頭與靜觸頭在分、合時,在靜觸頭的圓周位置產(chǎn)生應(yīng)變,而在其中心不存在應(yīng)變,那么應(yīng)變也就傳遞不到光纖光柵傳感器了。這種安裝方案既保證了溫度的測量精度又屏蔽了由于振動引起的應(yīng)變交叉敏感影響。
  
  3.2光路復(fù)用方案
  
  六個光纖光柵溫度傳感器的同時測量就涉及到光路的復(fù)用問題,光纖光柵傳感器的復(fù)用可以采用波分復(fù)用(WDM)、空分復(fù)用(SDM)或時分復(fù)用(TDM)方式,本系統(tǒng)是采用空分復(fù)用和波分復(fù)用方法。如圖2所示,用1´8耦合器實(shí)現(xiàn)對傳感器的空分復(fù)用,這樣可以避免采用單一波分復(fù)用的弊端,即多個傳感器串連在一根光纖上,在其中一個傳感器損壞時會影響其它傳感器信號的傳輸;同時在傳感器工作波長的選擇上又采用了波分復(fù)用方式,用來提高系統(tǒng)的測量速度,即在波長解調(diào)時采用一個掃描周期可以實(shí)現(xiàn)六個傳感器的同時測量。
  
  在圖2中,A、B、C三相的六個光纖光柵溫度傳感器處于高電壓側(cè),分別安裝在靜觸頭孔徑內(nèi),而耦合器、波長解調(diào)器、控制器以及數(shù)據(jù)處理電路都處于地電位側(cè),安裝在控制室內(nèi),采用長距離的光纖傳輸來實(shí)現(xiàn)高電壓側(cè)絕緣隔離。圖中的A1、B1、C1,A2、B2、C2是本文設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器,分別分布在隔離觸頭的上側(cè)和下側(cè)A、B、C三相上,在常溫下傳感器的波長分別為1548.5nm、1550.1nm、1551.6nm、1553.5nm、1555.5nm、1557.1nm,靈敏度為0.011nm/℃、0.013nm/℃、0.011nm/℃、0.010nm/℃、0.011nm/℃、0.012nm/℃,測量范圍為0~110℃;耦合器為
  
  由7個3dB耦合器組合而成的1´8耦合器;波長解調(diào)器為采用壓電陶瓷驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)波長掃描,其工作波長范圍為1548~1558nm,覆蓋6個傳感器在0~110℃溫度變化時的所有波長帶;控制器在數(shù)據(jù)處理器的控制下實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)器的掃描。
  
  3.3觸頭溫度模型
  
  高壓開關(guān)柜在運(yùn)行時,觸頭、母線、電流互感器、柜體等構(gòu)成了多個熱源,高壓開關(guān)柜及內(nèi)部各部件又構(gòu)成了復(fù)雜的熱阻網(wǎng)絡(luò)[14]。在此系統(tǒng)中,要通過理論推導(dǎo)出觸頭溫升與光纖光柵傳感器溫升間的數(shù)學(xué)關(guān)系是比較困難的,因此本文通過試驗(yàn)方法建立了它們之間的數(shù)學(xué)模型。
  
  溫升實(shí)驗(yàn)是在10kV高壓開關(guān)柜上進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)時三相觸頭接觸正常,工作額定電流為1kA,室溫為25℃。圖3是上隔離觸頭B相的溫升過程曲線,可以看出光纖光柵傳感器測量的溫升變化要比觸頭的實(shí)際溫升變化慢,但它們的變化趨勢是相同的,大約在3h以后溫度場變化趨于穩(wěn)定。測量溫度與實(shí)際溫度間的差值是由于傳感器采用非接觸方式測量溫度,它依靠靜觸頭的輻射來傳遞熱量。表1是其溫升測量數(shù)據(jù)。
  
  可以看出在開關(guān)柜觸頭接觸正常、溫度變化穩(wěn)定后各個觸頭的實(shí)際溫升值DTC與對應(yīng)的傳感器溫升值DTS之間的比例關(guān)系都在1.43附近,取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,可建立觸頭的實(shí)際溫度與傳感器的測量溫度間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為
  
  TC="K"(TS-T)+T(3)
  
  式中K="1".43;TS為光纖光柵溫度傳感器測量的溫度值;T為高壓開關(guān)柜環(huán)境溫度。
  
  3.4系統(tǒng)的抗電磁干擾性分析
  
  為
  
  了檢驗(yàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的抗電磁干擾能力,在高壓開關(guān)柜滿負(fù)荷工作,并且傳感器測量趨于穩(wěn)定的情況下,通過對開關(guān)柜采用突然掉電的方式來檢測溫度測量結(jié)果與電磁場的關(guān)系[15-16],實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾能力的實(shí)驗(yàn)。圖4是在觸頭溫升趨于穩(wěn)定后,在試驗(yàn)過程中安排了兩次停電并在一次側(cè)的B相觸頭上測量的溫度數(shù)據(jù),圖4(a)是電流的變化過程圖,圖4(b)是電流變化引起的觸頭溫度變化曲線??梢娫谀妇€失去電流的情況下,引起了觸頭溫度的下降,但在恢復(fù)送電后又很快開始上升。從曲線可以看出測量的觸頭溫度對突然的停電與送電做出了反應(yīng),但這種溫度的升降是漸變的而不是突變的,說明電磁場的存在對傳輸光纖以及光纖光柵溫度傳感器沒有影響。如果電磁場的存在使測溫系統(tǒng)顯示的溫度較實(shí)際溫度偏高或偏低,那么當(dāng)開關(guān)柜母線中一旦失去電流,電磁場消失時,溫度顯示會立即跳變到“實(shí)際值”,但這種跳變現(xiàn)象在實(shí)際試驗(yàn)中并未發(fā)生。因此說明光纖光柵觸頭測溫系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。
  
  4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  
  本光纖光柵觸頭溫度測量系統(tǒng)在變電站10kV高壓開關(guān)柜上進(jìn)行了成功試用,圖5是在高壓開關(guān)柜工作在70%的額定負(fù)荷范圍時對一次側(cè)B相觸頭在24小時的溫度監(jiān)測記錄,它反應(yīng)了全天觸頭溫度的變化過程。從圖中可以看出,從午夜0點(diǎn)到早晨6點(diǎn)之間觸頭的溫度zui低,這一方面是由于用電負(fù)荷較小,另一方面與氣溫較低有關(guān);從早晨6點(diǎn)開始隨著用電負(fù)荷的增大,觸頭的溫度也開始升高,到9點(diǎn)用電負(fù)荷趨于穩(wěn)定,但由于氣溫的逐漸升高觸頭溫度也開始上升,到14點(diǎn)時溫度達(dá)到zui高;從14點(diǎn)到18點(diǎn)之間由于氣溫的降低,觸頭的溫度也逐漸變?。煌瑫r從18點(diǎn)后,由于用電負(fù)荷的增大,觸頭溫度又開始上升,到22點(diǎn)時達(dá)到zui高;此后隨著用電負(fù)荷的減小,觸頭溫度也逐漸降低。通過對24小時觸頭溫度的記錄分析可以看出,光纖光柵觸頭溫度測量系統(tǒng)能夠正常工作,其記錄數(shù)據(jù)正確反應(yīng)了觸頭溫度與開關(guān)柜的工作負(fù)荷和周圍空氣溫度之間的變化關(guān)系,說明了光纖光柵觸頭溫度測量系統(tǒng)的方案是可行的。
  
  5結(jié)論
  
  本文利用光纖光柵傳感器的體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn),代替電子類傳感器實(shí)現(xiàn)了對高壓開關(guān)柜隔離觸頭的溫度監(jiān)測,此方案不需要復(fù)雜的絕緣設(shè)計(jì),因此具有簡單、可靠的優(yōu)點(diǎn)。此方案中,解決了光纖光柵溫度傳感器的應(yīng)變交叉敏感影響,在光路的復(fù)用上采用了空分復(fù)用加波分復(fù)用的方案,提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性。此系統(tǒng)在10kV高壓開關(guān)柜上進(jìn)行了測試,系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行,說明本方案是可行的。

高壓開關(guān)柜故障原因有哪些?

  高低壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備。開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)惡化是引發(fā)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因之一。分析其原因高壓開關(guān)柜故障原因有哪些?主要多發(fā)生在絕緣、導(dǎo)電和機(jī)械方面。

  (一)拒動、誤動故障

  這種故障是高壓開關(guān)柜最主要的故障,其原因可分為兩類。一類是因操動機(jī)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的機(jī)械故障造成,具體表現(xiàn)為機(jī)構(gòu)卡澀,部件變形、位移或損壞,分合閘鐵芯松動、卡澀,軸銷松斷,脫扣失靈等。另一類是因電氣控制和輔助回路造成,表現(xiàn)為二次接線接觸不良,端子松動,接線錯誤,分合閘線圈因機(jī)構(gòu)卡澀或轉(zhuǎn)換開關(guān)不良而燒損,輔助開關(guān)切換不靈,以及操作電源、合閘接觸器、微動開關(guān)等故障。

 ?。ǘ╅_斷與關(guān)合故障

  這類故障是由斷路器本體造成的,對少油斷路器而言,主要表現(xiàn)為噴油短路、滅弧室燒損、開斷能力不足、關(guān)合時爆炸等。對于真空斷路器而言,表現(xiàn)為滅弧室及波紋管漏氣、真空度降低、切電容器組重燃、陶瓷管破裂等。

 ?。ㄈ┙^緣故障

  絕緣水平是要正確處理作用在絕緣上的各種電壓(包括運(yùn)行電壓和各種過電壓)、各種限壓措施、絕緣強(qiáng)度這三者之間的關(guān)系。力求使產(chǎn)品做到既安全又經(jīng)濟(jì),得到較佳的經(jīng)濟(jì)效益。在絕緣方面的故障主要表現(xiàn)為外絕緣對地閃絡(luò)擊穿,內(nèi)絕緣對地閃絡(luò)擊穿,相間絕緣閃絡(luò)擊穿,雷電過電壓閃絡(luò)擊穿,瓷瓶套管、電容套管閃絡(luò)、污閃、擊穿、爆炸,提升桿閃絡(luò),CT閃絡(luò)、擊穿、爆炸,瓷瓶斷裂等。

 ?。ㄋ模┹d流故障

  72~12KV電壓等級發(fā)生的載流故障主要原因是開關(guān)柜隔離插頭接觸不良導(dǎo)致觸頭燒融。

 ?。ㄎ澹┩饬捌渌收?/p>

  包括異物撞擊,自然災(zāi)害,小動物短路等不可知的其他外力及意外故障的發(fā)生。

標(biāo)簽: 高壓開關(guān)柜
高壓開關(guān)柜 高壓開關(guān)柜故障原因有哪些?_高壓開關(guān)柜

      高壓開關(guān)柜柜體應(yīng)裝設(shè)防止電氣誤操作的閉鎖裝置,使之具備“五防”功能:防止誤分、誤合斷路器;防止帶負(fù)載拉、合隔離開關(guān);防止帶電掛接地線;防止帶接地線閉合開關(guān);防止人員誤人帶電間隔。

      倒閘操作就是將電氣設(shè)備由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài),即接通或斷開高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)、高壓負(fù)荷開關(guān)、跌落式熔斷器等。高壓電氣設(shè)備倒閘操作的技術(shù)要求:

      ①高壓斷路器和高壓隔離開關(guān)的操作順序:停電時,先斷開高壓斷路器,再斷開高壓隔離開關(guān);送電時,順序與此相反。嚴(yán)禁帶負(fù)荷拉、合隔離開關(guān)。

      ②高壓斷路器兩側(cè)的高壓隔離開關(guān)的操作順序:停電時先拉負(fù)荷側(cè)隔離開關(guān),再拉電源側(cè)隔離開關(guān);送電時,順序與此相反。

      ③變壓器兩側(cè)開關(guān)的操作順序:停電時。先拉負(fù)荷側(cè)開關(guān),后拉電源側(cè)開關(guān);先停低壓.后停高壓。送電時順序與此相反。

      ④單極隔離開關(guān)及跌落式熔斷器的操作順序:停電時,先拉開中間相,后拉開兩邊相;送電時順序與此相反。 




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