解析专题——“高压开关柜”

概述
高压开关柜是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用,高压开关柜按作电压等级在3.6kV~550kV的电器产品,高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器,高压操作机构、高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类。
目录
简述
局部放电监测的意义
10kV高压开关柜的发展现状
在线测温的意义
在线测温的作用
在线测温的特点
关键词
开关 开关柜 高压开关柜 高压电器 断路器
简述
党的十八大报告中明确提出10年内国内生产总值翻番,人均收入翻番的宏伟目标,可以预见在未来两个五年计划中,国家经济建设将是一番欣欣向荣的景象。与国民生活、经济发展息息相关的电力系统也将会得到迅速发展,因此如何保障电力系统安全运行成为国家关心的能源领域重点问题。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》,11.7.2条要求:巡检人员需定期用手持红外测温仪检测开关的触头等重点部位。
在电力系统中,高压开关柜起着电能转换、电力线路关合、监测用电量变化和电力系统线路故障保护等作用。高压开关柜母线连接着高压的来源,出线电缆连接着负荷,既可以根据负荷需要将电力设备投入或退出运行,也可以在电力设备或输配电线路发生故障时隔离故障部分以防事故的扩大。因此高压开关柜对保障电力系统正常运行以及人员安全都有着重要作用。
据统计,每年国内都会有不少发电厂、变电系统因高压开关柜故障造成巨大的经济损失,给人民生活生产带来不便。高压开关柜发生故障的原因有很多,包括产品质量问题、开关柜常年运行部件老化、封闭运行热量集中、高压开关柜满负荷甚至超负荷运行等等。造成高压开关柜故障的直接原因是开关柜中刀闹接头与隔离触头等部位因产品制造质量不合格或接触部位氧化、接触松动、负荷过大等引起接触电阻增大而发热。封闭的外壳柜体结构使热量无法散发出去,长时间得不到处理最终会酸成火灾引发大规模停电。因此必须采取有效手段对高压开关柜断路器触头和电缆接头等部位的温度进行监测,以保障高压开关柜的安全运行。
不同型号、不同高压等级、不同厂家生产的高压开关柜内部结构略有不同。高压开关柜应满足GB3906-1991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、柜体由接地的外金属壳体、一二次电器元件、各种机构、二次端子及连线等组成。一次电器元件用于主回路设备,包括接地、高压断路器接触器、绝缘器件、主母线和负荷开关等等,二次元器件主要统指开关柜内低压设备的集合,用于对一次设备进行测量控制、保护和监测,它包括电流表、电压表和功率表等。这些二次设备监测高压开关柜电流、电压等参数,但这些参数不能完全反映高压开关柜工作现状。开关部位和电缆接触部位由于电弧放电、瞬态高电压使接触面容易氧化导致电阻增加引起发热…,是需要重点监测温度变化的部位。
高压关柜的使用对环境有较高的要求。周围环境温度过高会致使导电金属电阻增加和表面氧化作用加剧,另外过高的环境温度会导致高压绝缘器件绝缘强度下降及使用寿命的縮短一般要求环境温度上限是,下限是:安装在海拔高于1000米以上的开关柜,由于大气压强小,空气稀薄,电器的外绝缘容易击穿,需要在柜体内部增加绝缘保护措施。因此在极限天气和环境条件下更要时刻监测高压开关柜的使用情况。
高压开关柜的安装使用根据需要选择不同的防护等级。
高压开关柜防护等级表
高压开关柜在室内室外均有应用,内部断路器的安装方式包括手车式和固定式,这些因素导致生产的高压开关柜型号种类繁多,最具代表性的型号是型、型和型。型是第一代高压开关柜,运行状况差,结构设计不合理,已逐步退出应用。型和型高压开关柜均有在网运行,相比较而言,型集成化和智能化程度更高,现已是主流应用产品。
高压开关柜测温现状
高压开关柜内部高电压、强磁场和强辖射等特定环境使得触点测温滞后于科技的发展。目前国内大多数高压开关柜还采用着比较原始的测温方式,国内外对高压开关柜测温没有制定统一的标准,也没有比较权威的垄断性产品出现。各个厂商根据需要研发的测温设备种类繁多。从测温方式测温手段来看,这些测温设备功能单一、可靠性差,远没有达到智能化程度。高压开关柜测温主要包含以下几种:
(1)示温腊片变色法。示温腊片测温法是一种根据温度不同显示不同颜色的物理方法。把示温腊片粘贴于高压开关柜触头上,通过观察示温腊片的颜色来确定温度的范围。这种方法需要巡检人员定期查看,人工成本高且测温实时性差。当温度超过示温腊片的融化范围时,示温腊片会自动脱落。示温腊片在早期的高压开关柜和其它电气产品中应用较多,随着电力系统和现代科技的发展变迁,已逐步退出应用市场,目前只有少数场合还在使用。
(2)红外手持设备测温法。一切高于绝对零度的物体都在向外界散发着红外辖射能量,这些红外辖射能量与其表面温度相关,通过被测物体散发的红外辖射能量即可确定物体表面温度,手持式红外测温仪就是基于这种原理。这种测温方法是非接触式测温,测温精度高,但巡检间隔时间长,不利于及时发现触点温度变化情况。高压开关柜内部结构复杂,元器件众多,使用红外测温仪测温时,元器件对关键测温点的遮挡也会对测量结果有所影晌。
(3)光纤测温法。光纤测温是基于曼散射原理,利用光在光纤中的喇曼散射改变光波波长的特性,喇曼散射信号的强弱与温度有关。当宽带光进入光纤,经过光栅返回一定波长的光,该波长与被测温度有一定变换关系,经测量反射光波长可确定被测物体温度、光纤测温大多釆用光纤光栅温度传感器,典型的光纤测温系统有ABB公司的Safe Guard装置和国产NSmarts光纤式温度在线监测仪。光纤测温法精度和实时性高,有一定的客户需求,但测温系统成本较高,维护困难,不利于大范围推广应用,在集成化越来越高、空间越来越狭小的新型高压开柜内布置光纤测温系统也愈加困难。
高压开关柜触点几种常见测温方式性能比较如下表:
局部放电监测的意义
近年来,随着我国电力系统规模的不断增加,对系统运行的安全性和可靠性要求日益提高。电网发生大面积停电事故,不仅会带来巨大的经济损失,同时也会引发诸如影响公共秩序的社会问题。因此,保障电网安全运行,不仅仅是经济发展的需要,同时也是我国保持安定团结,维持社会稳定的必要保证。就电力系统而言,各类电气设备是构建电网的主体,电力系统的安全运行归根结底是电气设备的安全运行。而且电气设备自身绝缘故障也是引发电网事故的主要原因。据统计,2006~2010年我国因电力设备故障造成的电网事故均为当年总事故的40%及以上,并有居高不下的趋势,因此确保电气设备安全工作是保障电力系统可靠运行的基础。
由于我国电力行业长期以来采用的是预防性维修体系,包括从预防性试验到维修的过程,根据《电力设备预防性试验规程》规定,对不同高压设备所规定的项目和相应的实验周期,定期在停电状态下进行绝缘性能的检查性试验,然后将预试的结果和规程上的标准进行比较,若有超标,则安排维修计划对设备进行停电检修,即进行预防性维修。这套体系固然可以在防止设备事故的发生,在保证设备安全运行上,有较好的效果。但是从长期的运用效果来看,该维修体系有一定的局限性:在经济上,检查性试验需要在停电状态下进行,会造成经济损失,也同时增加了工作安排的难度,需要耗费大量的人力、物力、财力。此外,通过长期运行经验发现,通过定期维修更换下来的设备中,90%是没有必要更换的,即存在着过度维修现象;从技术上,离线的定期维修是在低电压环境下进行的,这样并不能完全反映设备真实的运行状况,其次,电气设备的绝缘的劣化具有发展性,且故障的发生也具有随机性,这样一来,定期的预防性试验就不能能及时地发现故障;从安全上,进行预防性试验时,容易造成试验人员,设备的事故,此外,容易造成误操作,引发事故。综上所述,为了降低检修成本,节约成本,也为了能更好地检测出电气设备的潜在性故障,有必要对设备进行状态维修,即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。以便能更有效地使用设备,提高设备的利用率,降低备件的库存量以及更换部件与维修所需费用并有目的地进行维修,可提高维修水平,使设备运行更安全、可靠。此外,还可系统地对设备制造部门反馈设备的质量信息,用以提高产品的可靠性。状态维修的第一步是进行在线监测,它能为后续的分析诊断环节提供必要的数据。而且随着传感器技术,计算机技术以及信号处理技术的发展,使得在线监测的实现成为了可能,并且成为高压设备绝缘诊断里一个重要的组成部分。
高压电设备的绝缘内部总是存在一些缺陷,如气泡间隙、杂质、尖刺等,在强电场作用下使得设备绝缘内部的电场分布不均匀,在缺陷部位的电场强度增大,从而容易导致该部位发生未贯穿整个绝缘的放电,即局部放电。局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿,但是却会导致绝缘介质的局部损坏。若其长期存在,则会在一定条件下造成绝缘装置电气强度的破坏,最终造成设备绝缘击穿。因而对于电气设备而言,电气设备发生局部放电现象是导致其绝缘老化或劣化甚至损坏从而引发设备损毁及电力系统事故的重要原因之一,同时局部放电也是设备绝缘完整性退化的标志。因此对电气设备的局部放电进行在线监测是评估设备绝缘状况的重要手段,也是发现设备潜伏性故障,最终实现故障预警,避免故障发生的有效措施之一。
开关柜是向配电网或用户供电的直接设备,且在电力系统中大量应用。由于和供电直接相关,开关柜故障造成停电事故带来的经济损失和社会损失会非常大,而且由于开关柜内部空间狭小、零件繁多、结构复杂,绝缘距离小,因此比其它电力设备更容易出现绝缘缺陷,从而对设备安全运行带来巨大隐患。根据1989~1997年间全国电力系统6~10kV开关柜事故统计,绝缘和载流引起的故障占总数的34.4%,其中由于绝缘部分闪络造成的事故占绝缘事故总数的79%,如下图所示是某变电站开关柜因局部放电引发的短路事故。
10kV高压开关柜的发展现状
10kV高压开关柜是变电站站内的重要设备,它直接联系着主变及10kV配电线路,起着分配电能,控制负荷、开断故障电流的作用,由于其独特的设备结构、特殊的运行环境,通常给10kV开关柜的在线测温带来巨大的挑战。10kV开关柜内部结构经历了巨大的变化,从初期简单的刀闸,发展到第一代的GG1A型高压金属开关柜,到第二代的XGN型金属封闭式开关柜,再到如今大规模采用的第三代KYN 型中置移开式开关柜(小车柜),柜内设备结构发生了巨大的变化,从发展趋势来看,设备密封性能越来越好,防护等级越来越高、体积越来越小,载流量越来越大,这些具体结构形式的变化直接影响着测温技术手段的发展和应用。其中第一代GG1A型开关柜由于结构落后,运行状况较差,已经属于淘汰型的产品,目前在网运行的主要是XGN型开关柜及KYN型开关柜,KYN 型高压开关柜由于其操作方便、载流量大、结构完善,已经成为10k V高压开关柜的主流产品。
在线测温的意义
10kV高压开关柜是电力系统中直接担负着10kV系统负荷分配的电气设备,因通过负荷电流较大,部分开关柜长期通过电流可高达4000A,而柜内接点(插头)接触位置偏移、动静触指弹簧松动、材质不良等因素均会导致触头接触不良,从而产生严重发热。按照国家标准《交流高压电气在长期工作时的发热》(GB763-90)相关要求,10k V高压柜内裸铜或裸铜合金触指最高允许温度为75度,高压开关柜内设备接头的最大发热温度不得超过最高允许发热温度,否则各接点运行温度过高会直接引起10kV高压开关柜事故,因此采用一种适合的测温方法对高压开关柜接点的温度进行在线实时监测是十分必要的。
截至2009年底,广东电网公司高压开关柜运行数量为59144面,2009年全年,广东电网公司共发生10kV 高压开关柜接头(插头)发热类紧急、重大缺陷 41 起,占10kV高压开关柜紧急、重大缺陷的10.2%,但2009年1月至2010年2月,广东电网公司共发生6起开关柜事故,因发热问题而引起的事故为3起,占所有开关柜事故原因的50%,3 次事故全部引起主变跳闸和10kV 母线失压,导致10kV开关柜大量设备损坏,并造成大面积停电,给社会、用户带来巨大的损失,由此可见10kV高压开关柜内部元件发热缺陷导致安全运行形势异常严重,必须采取有效的监测手段,预防事故的发生。
为提高10kV开关柜运行状况,保护人员安全,目前10kV开关柜(XGN柜、KYN柜)全部为金属密封结构,传统的开关柜测温方法已经不能适用于新的开关柜,尤其是KYN中置移开式开关柜(小车柜),其导电部位在运行时全部由绝缘材料遮挡,常规的红外测温手段无法对其内部设备进行测量,必须采用开关柜内部测量的方法,实时监测大电流开关柜内部元件运行情况,及早发现故障源头,杜绝事故的发生。
在线测温的作用
高压开关柜内部接头主要是螺栓连接或弹簧压紧,当压紧螺栓或压紧弹簧的压紧力不够、接触面不平、触头氧化时,将导致各部件连接处的接触电阻增大,使得高压开关柜触头温度升高过热,而钢制螺丝的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多,在运行中随着负荷电流及温度的变化,其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异,使接触表面位置错开,形成微小空隙而氧化。当负荷电流减少温度降低回到原来接触位置时,由接触面氧化膜的覆盖,不可能是原安装时金属间的直接接触。每次温度变化的循环所增加的接触电阻,将会使下一次循环的发热程度增加,所增加的较高温度又使接头的工作状态进一步变化,因而形成恶性循环,最终导致部分弹簧、触指变形甚至熔化,导致事故。
由于10kV高压开关柜结构上具有通用性,无论是 XGN 型开关柜,还是KYN型开关柜,不同厂家的设备结构基本保持一致,高压开关柜内设备的配置、功能、结构极其类似,因此 10kV高压开关柜的发热问题存在着普遍的规律。通过对实际情况中10kV开关柜发热情况的统计分析,发热故障主要出现在开关柜内刀闸接头部位及电缆接头部位,因此可以明确10kV
开关柜的测温只需要针对某些关键点进行,其余设备区域可较少关注,在温度升高时及时、准确的监测关键点的温度变化,在超过允许温度之前发出预警,可使运行维护单位有充分的时间采取控制措施,避免停电事故的发生。
在线测温的特点
根据现场设备的具体结构和运行要求,10kV高压开关柜对测温手段有着特殊的要求:
(1)非接触式测温法不能适应现场的开关柜结构
10kV开关柜柜内部结构特殊,按照现有XGN型及KYN型开关柜具体结构,10kV开关柜内主要包含断路器、隔离开关、电流互感器、电缆头等具体设备,为了防止柜内设备因脏污受潮引起污闪事故,同时避免小动物进入造成短路,10kVXGN柜对柜内导电部位全部进行了绝缘热缩包封,而广东电网公司2009年反事故技术措施也明确要求“运行及未投运的移开式开关柜(KYN型开关柜)的导电臂都必须配装绝缘套,今后进入广东电网系统运行的小车柜,开关小车导电臂必须安装绝缘护套”,从而导致柜内需测温的部位大部分被绝缘护套包扎,其现场结构直接决定着红外测温技术无法在10kV开关柜内得到较好的应用。
(2)测温装置高压绝缘问题突出
由于10kV高压开关柜额定电压为10kV,柜内设备运行时带电运行,而测温传感器必须装设于被测物体测量点,属于高压设备,而信号采集装置一般装设于柜体或柜体外,其外壳与地网相连,即测温传感器和信号采集装置之间存在约10kV的电压,必须采取有效的方式实现高、低压设备的隔离,同时要求测温传感装置不能影响设备间的安全距离,否则会导致开关柜内设备故障造成事故,这是开关柜测温系统工程实践需考虑的首要问题,同时也是导致10kV开关柜测温技术应用发展缓慢的重要原因之一。
(3)测温装置不得影响设备原有性能
10kV开关柜断路器、隔离开关均为可操作性设备,需要按照运行方式要求进分合操作,在线测温装置的安装不得影响该部分设备的操作性能,这就要求测温装置能适应现场设备的具体结构,柜内测温传感设备需安装可靠。
(4)10kV高压开关柜柜体运行环境恶劣,电磁干扰严重
10kV高压开关柜柜内为全密封结构,除了部分观察窗外,其余部分均用金属挡板密封,按照开关柜IP3X的防护等级,各柜体缝隙不得大于2.5mm,同时柜内设备运行电流很大,部分大电流柜柜体通过电流为数千安培,甚至达到4000A,且处于变电站站内复杂的电磁环境中,电磁干扰会对测温系统带来较大影响,将直接影响测量设备的数据可靠性。
参考文献:
[1] 韩学山,张文.电力系统工程基础【M】北京:机械工业出版社,2008.10-20
[2] 钱家骊.高压开关柜一结构、计算、运行、发展【M】北京:中国电力出版社,2007:10-15
[3] 施越.开关柜母线室内外壁温升分析及计算[J]科技创新导报,2009(15):5-7
[4] 郭谋.发采用技术的配电开关柜无线测温系统[J]福州大学学报,2011,39(3):415-421
[5] 苑舜.高压开关设备状态监测与诊断技术[M].第 1 版.北京:机械工业出版社,2001. 3~7
[6] 廖雪松.高压开关柜在线温度监测系统的研究[D].  南昌大学,2007.
[7] 孙建锋,葛睿,郑力,胡超凡. 2010年国家电网安全运行情况分析[J].中国电力,2011,44(5):1-4.
[8] 中华人名共和国电力行业标准,DL/T  596-1996. 电力设备预防性试验规程[M]. 北京:中国电力出版社,1997.
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