工控摘要：高壓電器是在高壓線路中用來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)合、開(kāi)斷、保護(hù)、控制、調(diào)節(jié)、量測(cè)的設(shè)備。一般的高壓電器包括開(kāi)關(guān)電器、量測(cè)電器和限流、限壓電器。
　　
　　1引言
　　
　　現(xiàn)在電網(wǎng)容量迅速增長(zhǎng)，運(yùn)行電壓也不斷提高，這就要求高壓電器設(shè)備少占空間，向小型化發(fā)展。70年代初誕生了全封閉電器(GIS)，它將高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器等高壓電器元件合理組合，裝入金屬封閉殼內(nèi)，再充入SF6氣體，現(xiàn)已廣泛用于高壓和超高壓領(lǐng)域。工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活水平不斷提高，除了需要電能成倍增長(zhǎng)，也要求高的供電質(zhì)量及可靠性。
　　
　　為了提高供電可靠性，不但要求高壓電器有高的質(zhì)量，也要求其在運(yùn)行時(shí)具有自診斷功能，以便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障前兆，提前采取防患措施，變“定期檢修”為“按狀態(tài)檢修”。例如GIS在運(yùn)行時(shí)，金屬箱內(nèi)部出現(xiàn)局部放電，導(dǎo)致聯(lián)接處異常溫升，在箱外無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而使故障擴(kuò)大，以致形成擊穿而波及相鄰電器元件，造成電網(wǎng)停電。
　　
　　高壓斷路器中的導(dǎo)電回路，在正常運(yùn)行時(shí)，長(zhǎng)期通過(guò)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但不?huì)超出規(guī)定范圍;在非正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)使電器材料溫度升高且超出規(guī)定范圍，從而使電器材料的機(jī)械強(qiáng)度、物理性能等下降，因此在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同電器材料的允許長(zhǎng)期工作溫度。在高壓斷路器的結(jié)構(gòu)中，靜觸頭、動(dòng)觸頭是一對(duì)基本元件，在靜、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(guò)觸頭時(shí)，由于接觸電阻的存在要引起觸頭的發(fā)熱，接觸點(diǎn)的溫度不能超過(guò)觸頭的材料熔點(diǎn)，否則會(huì)使兩觸頭之間發(fā)生熔焊，在發(fā)生故障時(shí)無(wú)法很好地完成開(kāi)斷任務(wù)。
　　
　　液壓機(jī)構(gòu)是220kV以上高壓、超高壓斷路器中使用的主要操作機(jī)構(gòu)，這種操作機(jī)構(gòu)受溫度的影響：當(dāng)溫度降低后，油的黏度增大，因而液壓系統(tǒng)的阻力系數(shù)也增大，致使合、分閘速度減小;反之，當(dāng)溫度升高后，合、分閘速度增大。因此對(duì)液壓油溫度的在線監(jiān)測(cè)與控制是十分必要的。
　　
　　綜上所述，對(duì)電力系統(tǒng)中的智能電器設(shè)備溫升的測(cè)量及在線監(jiān)測(cè)，可以保證設(shè)備可靠運(yùn)行及對(duì)用戶可靠供電，大力開(kāi)展智能電器溫升的測(cè)量及在線監(jiān)測(cè)研究是當(dāng)務(wù)之急。
　　
　　2智能電器中關(guān)鍵部位溫升在線監(jiān)測(cè)
　　
　　211利用Fabry-perot槽進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)
　　
　　高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線聯(lián)接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)接處通過(guò)100A直流電流，測(cè)出其兩端電壓，即可求得接觸電阻。開(kāi)關(guān)柜出廠后，由于運(yùn)輸、安裝、碰擊等致使接觸惡化，接觸電阻增大，以及在插接處接觸不良造成供電中斷的事故常常發(fā)生。
　　
　　文獻(xiàn)介紹了Fabry-perot光微薄硅溫度傳感器在線測(cè)溫技術(shù)，該技術(shù)已在變電站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)中應(yīng)用。它是利用對(duì)溫度敏感的Fabry2perot槽研制出的一種溫度探頭，其原理如圖1所示。該裝置是由一薄硅片構(gòu)成，在它中段的頂部和底部蝕刻出矩形槽，然后在薄硅片頂粘貼一層玻璃，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)，因兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，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(zhǎng)隨Fabry-perot槽深度變化而改變。Fabry-perot槽深度變化是納米數(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，
　　
　　所以主波長(zhǎng)是溫度的連續(xù)函數(shù)，如圖2所示。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)。
　　
　　212利用埋入溫升部位的熱敏電阻進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)熱敏電阻具有體積小、溫度響應(yīng)快、產(chǎn)品成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)。它可以封裝在一個(gè)小型帶有螺紋的金屬外殼中，直接擰在靠近電氣聯(lián)接處的溫升部位，用于10kV或35kV高壓柜時(shí)可安裝在斷路器的靜觸頭部位，然后用兩根細(xì)小的高溫導(dǎo)線引至信號(hào)變送裝置。信號(hào)變送裝置是由一個(gè)小型的電流互感器和一些電子線路組成。該裝置可以固定在母線排上，當(dāng)母線排通過(guò)一定的電流時(shí)，電流互感器的感應(yīng)電流使電子線路得到工作所需的電源。電子線路的任務(wù)是將熱敏電阻的阻值變化量轉(zhuǎn)換成頻率變化量，通過(guò)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管發(fā)射至接收轉(zhuǎn)換器。光的發(fā)射與接收可以通過(guò)光纖或空氣介質(zhì)來(lái)傳播，這樣即可實(shí)現(xiàn)高、低電壓之間的電位隔離。用單片微處理機(jī)組成的接收裝置可以將接收到的所有溫度變換信息經(jīng)計(jì)算還原成溫度值，用數(shù)字的形式顯示出來(lái);也可以通過(guò)通信接口向系統(tǒng)上位機(jī)傳輸溫度數(shù)據(jù)或超溫報(bào)警信號(hào)。用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫升在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、易于推廣。
　　
　　213變壓器繞組內(nèi)溫度在線監(jiān)測(cè)
　　
　　運(yùn)行中的變壓器，電流長(zhǎng)期流過(guò)繞組，將引起繞組發(fā)熱。如果材料選用不當(dāng)或油流控制不適當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致繞組溫升異常，影響變壓器運(yùn)行壽命，更嚴(yán)重的是造成內(nèi)部絕緣降低，形成內(nèi)部閃絡(luò)，使變壓器無(wú)法工作，危及電力系統(tǒng)供電。這里介紹利用吸收型光纖溫度傳感器測(cè)溫技術(shù)。光線通過(guò)砷化鎵晶體后，其光強(qiáng)按指數(shù)衰減If=I0e-αd式中d———砷化鎵晶體厚度α———光吸收系數(shù)。當(dāng)砷化鎵晶體材料、幾何尺寸確定后，α系數(shù)是一定的，利用這一特點(diǎn)可完成溫度測(cè)量。當(dāng)砷化鎵激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)光纖送到GaAs晶片組成的光纖探頭時(shí)，因?yàn)樯榛壘墓庾V吸收隨溫度變化而變化，所以溫度變化信號(hào)調(diào)制了透射光強(qiáng)，zui后由測(cè)得的光強(qiáng)確定溫度。圖3是吸收型光纖溫度傳感器應(yīng)用圖。由GaAs發(fā)出光脈沖經(jīng)分光器后分為兩路，一路直接進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)UR(用作參考電壓)，另一路進(jìn)入砷化鎵溫度傳感器S后又反射至分光器，再進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換PDS轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)US分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入微處理機(jī)，所在點(diǎn)溫度為
　　
　　可以將上面介紹的溫度傳感器埋入要測(cè)量的部位，如變壓器線圈內(nèi)，通過(guò)光纖可在測(cè)量室獲得被測(cè)部位的溫度信息，需要進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，則需要在多點(diǎn)埋置溫度傳感器。據(jù)報(bào)道，這項(xiàng)技術(shù)已在變電站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。
　　
　　3變壓器繞組及XLPE電纜的溫度分布在線測(cè)量
　　
　　前面介紹的測(cè)溫方法可以完成少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)的溫度在線監(jiān)測(cè)，增加測(cè)溫點(diǎn)，則要增加埋置傳感器及傳輸信號(hào)的光纖，這種方法難于實(shí)現(xiàn)變壓器繞組、XLPE電纜中溫度分布的在線監(jiān)測(cè)。
　　
　　分布型光纖傳感系統(tǒng)(Distributedopticalfibertransducersystem)集光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)、非線性光譜技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、弱信號(hào)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)于一體，具體對(duì)光纖沿線幾千米內(nèi)各點(diǎn)的溫度連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，定位精度可達(dá)米的數(shù)量級(jí)，測(cè)量精度可達(dá)1℃，所以非常適合于大型變壓器繞組、高壓電力電纜、大型發(fā)電機(jī)定子繞組的溫度分布在線測(cè)量。
　　
　　這一方法基本原理是將具有一定能量和寬度的激光脈沖耦合到光纖，它在光纖中傳輸，同時(shí)不斷產(chǎn)生背向喇曼信號(hào)，因背向散射光狀態(tài)受到各點(diǎn)物理、化學(xué)效應(yīng)調(diào)制，將散射回來(lái)的光波經(jīng)檢測(cè)器解調(diào)后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)，便可獲得各點(diǎn)溫度信息，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時(shí)間對(duì)這些信息定位。這根光纖長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，可埋入變壓器繞組及XLPE電纜內(nèi)。
　　
　　從光纖一端入射的光，在光纖的各部分中散射，將反射到入射端的光(背向散射光)變?yōu)殡娦盘?hào)，再換算成溫度。由于光在光纖中的傳播速度是已知的，所以知道了從入射至接收到散射回來(lái)的光所花費(fèi)的時(shí)間，就可以知道所接收的背向散射光是在什么地方反射回來(lái)的。
　　
　　背向散射光中有同入射光波長(zhǎng)相同的光(瑞利散亂光)和同入射光波長(zhǎng)偏移±Δλ的光(喇曼散亂光)。喇曼散亂光又因波長(zhǎng)不同而分為斯托克斯光和反斯托克斯光。喇曼散亂光很弱，但它與溫度有關(guān)，通過(guò)它們之間的關(guān)系，可以求出溫度。
　　
　　在日本，分布型光纖溫度傳感系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于地下電纜、高壓架空電纜在線檢測(cè)及過(guò)熱報(bào)警、大小型變壓器的整體溫度檢測(cè)及過(guò)熱報(bào)警領(lǐng)域。隨著我國(guó)工、農(nóng)業(yè)及電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)在線監(jiān)測(cè)的要求提高，分布型光纖溫度傳感技術(shù)會(huì)得到廣泛應(yīng)用。
　　
　　4避雷器泄漏的在線監(jiān)測(cè)
　　
　　在線路上裝設(shè)避雷器(要滿足避雷器與絕緣子串的絕緣配合要求)，可以防止絕緣子串的閃絡(luò)事故，因此避雷器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。氧化鋅避雷器(MOV)，具有通流容量大、保護(hù)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)已獲得廣泛應(yīng)用。
　　
　　由于氧化鋅長(zhǎng)期承受工頻電壓，且有泄漏電流流過(guò)閥片，會(huì)引起老化。在泄漏電流中有容性泄漏電流和阻性泄漏電流，其中阻性泄漏電流會(huì)使閥片溫度升高而發(fā)熱，加速老化速度，嚴(yán)重的可使避雷器閥片失效。氧化鋅避雷器內(nèi)部受潮或閥片老化等缺陷，一般可通過(guò)停電試驗(yàn)檢查出來(lái)，但是氧化鋅片是非線性電阻元件，有的隱患無(wú)法在在停電試驗(yàn)時(shí)查出。因此，對(duì)氧化鋅避雷器進(jìn)行帶電在線監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，有效防止事故的發(fā)生。
　　
　　LCD-4型泄漏電流測(cè)試儀是日本計(jì)測(cè)制造廠研制的避雷器測(cè)試儀，可以帶電在線測(cè)量避雷器的阻性泄漏電流、功耗及全電流，其原理如圖5所示
　　
　　電流信號(hào)IX取自電流互感器，電壓信號(hào)取自電壓互感器。峰值電壓測(cè)量回路(PVD)輸出阻性電流峰值IR，IR與電壓US的乘積為功耗PX，送顯示單元顯示。該儀器可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)帶電避雷器進(jìn)行實(shí)測(cè)，湖北省電力試驗(yàn)研究所曾對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，發(fā)現(xiàn)每臺(tái)氧化鋅避雷器的阻性泄漏-溫度曲線不是線性的，即隨溫度增高，變化率增大，在不同環(huán)境下曲線有差異。因此氧化鋅避雷器現(xiàn)場(chǎng)帶電測(cè)量無(wú)法做到準(zhǔn)確，但要求儀器操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠，能在惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行。
　　
　　由于避雷器全部泄漏電流中容性泄漏變化極小，所以可以通過(guò)全部泄漏電流的測(cè)量來(lái)監(jiān)視避雷器閥片特性。常州太平洋自動(dòng)化技術(shù)有限公司的BLC—1型避雷器泄漏電流在線監(jiān)測(cè)儀就屬于這一類(lèi)。圖6是由它組成的在線監(jiān)測(cè)自動(dòng)變送、報(bào)警系統(tǒng)。裝置特點(diǎn)是避雷器回路的電流取樣部分無(wú)需工作電源，即可變換成反映電流變化的光脈沖信號(hào)，經(jīng)光纖傳輸隔離、微機(jī)數(shù)據(jù)處理后送控制室，當(dāng)避雷器絕緣性能降低、泄漏電流超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)及時(shí)報(bào)警。雖然利用該技術(shù)進(jìn)行報(bào)警的靈敏度比測(cè)量阻性電流的靈敏度低，但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)已足夠了。
　　
　　5結(jié)束語(yǔ)
　　
　　在線監(jiān)測(cè)單元的功能是采集電器設(shè)備運(yùn)行時(shí)周?chē)h(huán)境的大量信息(如溫度、濕度、壓力等)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)*控制;采集電器設(shè)備自身狀態(tài)信息進(jìn)行分析，判別本身是否處于正常，如有異常，及時(shí)報(bào)警。因此在線監(jiān)測(cè)單元的任務(wù)是確保智能電器本身可靠運(yùn)行，使運(yùn)行人員更合理地確定檢修周期。
　　
　　對(duì)于大型變壓器、GIS組合電器，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)顯得更為重要，因?yàn)榇笮妥儔浩?、GIS組合電器檢修費(fèi)用昂貴，延長(zhǎng)檢修周期可節(jié)省大量費(fèi)用。中壓設(shè)備本身的費(fèi)用要比高壓設(shè)備(如大型變壓器、GIS等)低很多，估計(jì)在中壓領(lǐng)域內(nèi)的在線監(jiān)視和診斷系統(tǒng)功能只限于某些特殊功能，不會(huì)增加很多費(fèi)用。未來(lái)，在線監(jiān)視和診斷系統(tǒng)將日益增多地裝入高壓、中壓電器設(shè)備中