工控摘要：高壓電器是在高壓線路中用來實現(xiàn)關(guān)合、開斷、保護、控制、調(diào)節(jié)、量測的設(shè)備。一般的高壓電器包括開關(guān)電器、量測電器和限流、限壓電器。
　　
　　1引言
　　
　　現(xiàn)在電網(wǎng)容量迅速增長，運行電壓也不斷提高，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，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，也要求其在運行時具有自診斷功能，以便管理人員及時發(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在運行時，金屬箱內(nèi)部出現(xiàn)局部放電，導致聯(lián)接處異常溫升，在箱外無法及時發(fā)現(xiàn)，而使故障擴大，以致形成擊穿而波及相鄰電器元件，造成電網(wǎng)停電。
　　
　　高壓斷路器中的導電回路，在正常運行時，長期通過工作電流，產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽闺娖鞑牧蠝囟壬叩粫鲆?guī)定范圍;在非正常運行時，會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械強度、物理性能等下降，因此在國家標準中規(guī)定了不同電器材料的允許長期工作溫度。在高壓斷路器的結(jié)構(gòu)中，靜觸頭、動觸頭是一對基本元件，在靜、動觸頭接觸時，它們之間有一個接觸電阻，當電流流過觸頭時，由于接觸電阻的存在要引起觸頭的發(fā)熱，接觸點的溫度不能超過觸頭的材料熔點，否則會使兩觸頭之間發(fā)生熔焊，在發(fā)生故障時無法很好地完成開斷任務。
　　
　　液壓機構(gòu)是220kV以上高壓、超高壓斷路器中使用的主要操作機構(gòu)，這種操作機構(gòu)受溫度的影響：當溫度降低后，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，當溫度升高后，合、分閘速度增大。因此對液壓油溫度的在線監(jiān)測與控制是十分必要的。
　　
　　綜上所述，對電力系統(tǒng)中的智能電器設(shè)備溫升的測量及在線監(jiān)測，可以保證設(shè)備可靠運行及對用戶可靠供電，大力開展智能電器溫升的測量及在線監(jiān)測研究是當務之急。
　　
　　2智能電器中關(guān)鍵部位溫升在線監(jiān)測
　　
　　211利用Fabry-perot槽進行溫度在線監(jiān)測
　　
　　高壓開關(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“回路電阻測試儀”離線測試，其原理是在母線聯(lián)接處通過100A直流電流，測出其兩端電壓，即可求得接觸電阻。開關(guān)柜出廠后，由于運輸、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。
　　
　　文獻介紹了Fabry-perot光微薄硅溫度傳感器在線測溫技術(shù)，該技術(shù)已在變電站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中應用。它是利用對溫度敏感的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。當該處溫度變化時，因兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，內(nèi)應力改變了槽的深度。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)制的輸出信號是用光學干涉測量方法測量的。
　　
　　調(diào)制多色光的主波長隨Fabry-perot槽深度變化而改變。Fabry-perot槽深度變化是納米數(shù)量級，因為溫度的變化是連續(xù)的，槽深變化也是連續(xù)的，
　　
　　所以主波長是溫度的連續(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量方面有廣闊的市場。
　　
　　212利用埋入溫升部位的熱敏電阻進行溫度在線監(jiān)測熱敏電阻具有體積小、溫度響應快、產(chǎn)品成熟、成本低等優(yōu)點。它可以封裝在一個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高壓柜時可安裝在斷路器的靜觸頭部位，然后用兩根細小的高溫導線引至信號變送裝置。信號變送裝置是由一個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，當母線排通過一定的電流時，電流互感器的感應電流使電子線路得到工作所需的電源。電子線路的任務是將熱敏電阻的阻值變化量轉(zhuǎn)換成頻率變化量，通過驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)射至接收轉(zhuǎn)換器。光的發(fā)射與接收可以通過光纖或空氣介質(zhì)來傳播，這樣即可實現(xiàn)高、低電壓之間的電位隔離。用單片微處理機組成的接收裝置可以將接收到的所有溫度變換信息經(jīng)計算還原成溫度值，用數(shù)字的形式顯示出來;也可以通過通信接口向系統(tǒng)上位機傳輸溫度數(shù)據(jù)或超溫報警信號。用這種方法實現(xiàn)的溫升在線監(jiān)測的優(yōu)點是造價低、易于推廣。
　　
　　213變壓器繞組內(nèi)溫度在線監(jiān)測
　　
　　運行中的變壓器，電流長期流過繞組，將引起繞組發(fā)熱。如果材料選用不當或油流控制不適當，會導致繞組溫升異常，影響變壓器運行壽命，更嚴重的是造成內(nèi)部絕緣降低，形成內(nèi)部閃絡，使變壓器無法工作，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溫技術(shù)。光線通過砷化鎵晶體后，其光強按指數(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，利用這一特點可完成溫度測量。當砷化鎵激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光纖送到GaAs晶片組成的光纖探頭時，因為砷化鎵晶片的光譜吸收隨溫度變化而變化，所以溫度變化信號調(diào)制了透射光強，zui后由測得的光強確定溫度。圖3是吸收型光纖溫度傳感器應用圖。由GaAs發(fā)出光脈沖經(jīng)分光器后分為兩路，一路直接進入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號UR(用作參考電壓)，另一路進入砷化鎵溫度傳感器S后又反射至分光器，再進入光電轉(zhuǎn)換PDS轉(zhuǎn)換成電壓信號US分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入微處理機，所在點溫度為
　　
　　可以將上面介紹的溫度傳感器埋入要測量的部位，如變壓器線圈內(nèi)，通過光纖可在測量室獲得被測部位的溫度信息，需要進行多點測量時，則需要在多點埋置溫度傳感器。據(jù)報道，這項技術(shù)已在變電站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測中應用。
　　
　　3變壓器繞組及XLPE電纜的溫度分布在線測量
　　
　　前面介紹的測溫方法可以完成少數(shù)幾個點的溫度在線監(jiān)測，增加測溫點，則要增加埋置傳感器及傳輸信號的光纖，這種方法難于實現(xiàn)變壓器繞組、XLPE電纜中溫度分布的在線監(jiān)測。
　　
　　分布型光纖傳感系統(tǒng)(Distributedopticalfibertransducersystem)集光學時域反射技術(shù)、非線性光譜技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、弱信號檢測、計算機處理技術(shù)于一體，具體對光纖沿線幾千米內(nèi)各點的溫度連續(xù)實時測量，定位精度可達米的數(shù)量級，測量精度可達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)電機定子繞組的溫度分布在線測量。
　　
　　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，同時不斷產(chǎn)生背向喇曼信號，因背向散射光狀態(tài)受到各點物理、化學效應調(diào)制，將散射回來的光波經(jīng)檢測器解調(diào)后，送入信號處理系統(tǒng)，便可獲得各點溫度信息，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息定位。這根光纖長達數(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?，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的光所花費的時間，就可以知道所接收的背向散射光是在什么地方反射回來的。
　　
　　背向散射光中有同入射光波長相同的光(瑞利散亂光)和同入射光波長偏移±Δλ的光(喇曼散亂光)。喇曼散亂光又因波長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)已廣泛應用于地下電纜、高壓架空電纜在線檢測及過熱報警、大小型變壓器的整體溫度檢測及過熱報警領(lǐng)域。隨著我國工、農(nóng)業(yè)及電力系統(tǒng)的發(fā)展，對在線監(jiān)測的要求提高，分布型光纖溫度傳感技術(shù)會得到廣泛應用。
　　
　　4避雷器泄漏的在線監(jiān)測
　　
　　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、保護性能好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)已獲得廣泛應用。
　　
　　由于氧化鋅長期承受工頻電壓，且有泄漏電流流過閥片，會引起老化。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使閥片溫度升高而發(fā)熱，加速老化速度，嚴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，一般可通過停電試驗檢查出來，但是氧化鋅片是非線性電阻元件，有的隱患無法在在停電試驗時查出。因此，對氧化鋅避雷器進行帶電在線監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，有效防止事故的發(fā)生。
　　
　　LCD-4型泄漏電流測試儀是日本計測制造廠研制的避雷器測試儀，可以帶電在線測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IX取自電流互感器，電壓信號取自電壓互感器。峰值電壓測量回路(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)場對帶電避雷器進行實測，湖北省電力試驗研究所曾對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行整理、分析，發(fā)現(xiàn)每臺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)場帶電測量無法做到準確，但要求儀器操作簡便、穩(wěn)定可靠，能在惡劣環(huán)境下可靠運行。
　　
　　由于避雷器全部泄漏電流中容性泄漏變化極小，所以可以通過全部泄漏電流的測量來監(jiān)視避雷器閥片特性。常州太平洋自動化技術(shù)有限公司的BLC—1型避雷器泄漏電流在線監(jiān)測儀就屬于這一類。圖6是由它組成的在線監(jiān)測自動變送、報警系統(tǒng)。裝置特點是避雷器回路的電流取樣部分無需工作電源，即可變換成反映電流變化的光脈沖信號，經(jīng)光纖傳輸隔離、微機數(shù)據(jù)處理后送控制室，當避雷器絕緣性能降低、泄漏電流超過標準時及時報警。雖然利用該技術(shù)進行報警的靈敏度比測量阻性電流的靈敏度低，但對于現(xiàn)場在線監(jiān)測已足夠了。
　　
　　5結(jié)束語
　　
　　在線監(jiān)測單元的功能是采集電器設(shè)備運行時周圍環(huán)境的大量信息(如溫度、濕度、壓力等)進行分析，實現(xiàn)*控制;采集電器設(shè)備自身狀態(tài)信息進行分析，判別本身是否處于正常，如有異常，及時報警。因此在線監(jiān)測單元的任務是確保智能電器本身可靠運行，使運行人員更合理地確定檢修周期。
　　
　　對于大型變壓器、GIS組合電器，在線監(jiān)測技術(shù)顯得更為重要，因為大型變壓器、GIS組合電器檢修費用昂貴，延長檢修周期可節(jié)省大量費用。中壓設(shè)備本身的費用要比高壓設(shè)備(如大型變壓器、GIS等)低很多，估計在中壓領(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，不會增加很多費用。未來，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