智能化高压电器温升的在线监测

1 引言

现在电网容量迅速增长，运行电压也不断提高，这就要求高压电器设备少占空间，向小型化发展。70 年代初诞生了全封闭电器( GIS) ，它将高压断路器、隔离开关、互感器等高压电器元件合理组合，装入金属封闭壳内，再充入SF6 气体，现已广泛用于高压和超高压领域。工农业发展和人民生活水平不断提高，除了需要电能成倍增长，也要求高的供电质量及可靠性。

为了提高供电可靠性，不但要求高压电器有高的质量，也要求其在运行时具有自诊断功能，以便管理人员及时发现故障前兆，提前采取防患措施，变“定期检修”为“按状态检修”。例如GIS 在运行时，金属箱内部出现局部放电，导致联接处异常温升，在箱外无法及时发现，而使故障扩大，以致形成击穿而波及相邻电器元件，造成电网停电。高压断路器中的导电回路，在正常运行时，长期通过工作电流，产生的能量转变为热能，使电器材料温度升高但不会超出规定范围;在非正常运行时，会使电器材料温度升高且超出规定范围，从而使电器材料的机械强度、物理性能等下降，因此在国家标准中规定了不同电器材料的允许长期工作温度。在高压断路器的结构中，静触头、动触头是一对基本元件，在静、动触头接触时， 它们之间有一个接触电阻，当电流流过触头时，由于接触电阻的存在要引起触头的发热，接触点的温度不能超过触头的材料熔点，否则会使两触头之间发生熔焊，在发生故障时无法很好地完成开断任务。

液压机构是220kV 以上高压、超高压断路器中使用的主要操作机构，这种操作机构受温度的影响：当温度降低后，油的黏度增大，因而液压系统的阻力系数也增大，致使合、分闸速度减小;反之，当温度升高后，合、分闸速度增大。因此对液压油温度的在线监测与控制是十分必要的。

综上所述，对电力系统中的智能电器设备温升的测量及在线监测，可以保证设备可靠运行及对用户可靠供电，大力开展智能电器温升的测量及在线监测研究是当务之急。

2 智能电器中关键部位温升在线监测

211 利用Fabry - perot 槽进行温度在线监测

高压开关柜内母线联接处的接触电阻有一定要求，在出厂前用“回路电阻测试仪”离线测试， 其原理是在母线联接处通过100A 直流电流，测出其两端电压， 即可求得接触电阻。开关柜出厂后，由于运输、安装、碰击等致使接触恶化，接触电阻增大，以及在插接处接触不良造成供电中断的事故常常发生。

文献[1 ] 介绍了Fabry - perot 光微薄硅温度传感器在线测温技术，该技术已在变电站设备的状态监测技术中应用。它是利用对温度敏感的Fabry2perot 槽研制出的一种温度探头， 其原理如图1 所示。该装置是由一薄硅片构成，在它中段的顶部和底部蚀刻出矩形槽，然后在薄硅片顶粘贴一层玻璃，该玻璃的热膨胀系数与硅片的热膨胀系数不同。当该处温度变化时，因两种材料的热膨胀系数不同，在其内部产生内应力，内应力改变了槽的深度。用光纤将多色光送入照射Fabry - perot 槽，反射出的调制光也经光纤送出，调制的输出信号是用光学干涉测量方法测量的。

调制多色光的主波长随Fabry - perot 槽深度变化而改变。Fabry - perot 槽深度变化是纳米数量级，因为温度的变化是连续的，槽深变化也是连续的，

图1 光微薄硅温度传感器

所以主波长是温度的连续函数，如图2 所示。由Fabry - perot 槽构成的光纤传感系统其组成元件耐腐蚀、小巧、测量灵敏度高，而且不受电磁干扰影响，在智能化高压电器的温度在线测量方面有广阔的市场。

图2 主波长-温度定标曲线

212 利用埋入温升部位的热敏电阻进行温度在线监测热敏电阻具有体积小、温度响应快、产品成熟、成本低等优点。它可以封装在一个小型带有螺纹的金属外壳中，直接拧在靠近电气联接处的温升部位，用于10kV 或35kV 高压柜时可安装在断路器的静触头部位，然后用两根细小的高温导线引至信号变送装置。信号变送装置是由一个小型的电流互感器和一些电子线路组成。该装置可以固定在母线排上，当母线排通过一定的电流时，电流互感器的感应电流使电子线路得到工作所需的电源。电子线路的任务是将热敏电阻的阻值变化量转换成频率变化量，通过驱动红外发光管发射至接收转换器。光的发射与接收可以通过光纤或空气介质来传播，这样即可实现高、低电压之间的电位隔离。用单片微处理机组成的接收装置可以将接收到的所有温度变换信息经计算还原成温度值，用数字的形式显示出来; 也可以通过通信接口向系统上位机传输温度数据或超温报警信号。用这种方法实现的温升在线监测的优点是造价低、易于推广。

213 变压器绕组内温度在线监测

运行中的变压器，电流长期流过绕组，将引起绕组发热。如果材料选用不当或油流控制不适当，会导致绕组温升异常，影响变压器运行寿命，更严重的是造成内部绝缘降低，形成内部闪络，使变压器无法工作，危及电力系统供电。这里介绍利用吸收型光纤温度传感器测温技术。光线通过砷化镓晶体后，其光强按指数衰减If = I0e - αd式中d ———砷化镓晶体厚度α———光吸收系数。当砷化镓晶体材料、几何尺寸确定后，α系数是一定的，利用这一特点可完成温度测量。当砷化镓激光器发出的激光经过光纤送到GaAs 晶片组成的光纤探头时， 因为砷化镓晶片的光谱吸收随温度变化而变化， 所以温度变化信号调制了透射光强， 最后由测得的光强确定温度。图3 是吸收型光纤温度传感器应用图。由GaAs 发出光脉冲经分光器后分为两路，一路直接进入光电转换器转换成电压信号UR (用作参考电压) ，另一路进入砷化镓温度传感器S 后又反射至分光器，再进入光电转换PDS 转换成电压信号US 分别经A/ D转换器送入微处理机，所在点温度为

图3 吸收型光纤温度传感器的应用

可以将上面介绍的温度传感器埋入要测量的部位，如变压器线圈内，通过光纤可在测量室获得被测部位的温度信息，需要进行多点测量时，则需要在多点埋置温度传感器。据报道，这项技术已在变电站设备的状态监测中应用。