高压电气结点温度越限预警指示装置研究

苏立朱明严沈承刚邹佳作周铭鑫

摘要：高压电气结点的过热烧毁问题，是电站系统中最易发生却较难防范的安全事故，会影响设备的安全稳定运行和电网输配电的可靠性。针对国内外诸多电气设备结点温度监测设备和系统的优缺点，本文提出了一种高压电气结点温度越限预警指示装置，在保证成本低廉、安装简易、便于更换的同时，通过在结点温度越限时对巡检人员的预警指示，达到预警及时准确、降低巡检工作强度、保证供电可靠性等作用。

关键词：高压电气结点；过热烧毁；温度越限预警指示装置；供电可靠性

一研究背景

随着社会经济的繁荣发展，社会用电量正在日益增加，导致承载着大负荷输送任务的高压电气设备（如变压器、互感器、电缆、高压开关柜、刀闸等）的电力负载也在不断加重[1-2]。在长期高负荷运行下，电网中众多高压电气设备的结点会因氧化腐蚀、老化或紧固螺栓松动等原因，导致接触电阻增大、发热升温，最终酿成事故。因此，往往众多电气设备本身、设备之间的联结点是电力输送系统中最薄弱、最易发生事故的环节，且大多数都由联结点发热导致[3]。

联结点发热将引起一系列恶性循环：温升、金属膨胀和挤压变形、氧化、电阻增加、发热、持续升温直至烧毁或击穿事故发生[4]。据有关数据资料统计，我国电力系统每年共烧毁20余万台电动机，其中变压器的事故率为14%。按照技术分类事故数据统计，总事故中过热事故占比25.3%，绝缘事故占比48.0%，母线接触占比11%。可见，结点温度的及时监测和超温预防，可降低电力系统安全事故的发生，而如何快速、准确地监控高压电气结点温升，杜绝温度越限导致的安全事故，成为电力系统运行维护中亟待解决的问题。

目前，各级供电公司普遍使用手持式红外测温仪对设备现场进行人工温度采集，该方法需要对每个节点进行测量，耗费大量人力、物力，且无法实现自动采集温度及自动预警。而基于各项互联网技术的电气结点温度在线监测系统虽能解放人力，实现全时全天候的远程在线监测及智能预警，但目前系统仍处于试验研究阶段，软硬件配套尚未完整全面，且投资较大，后期维护成本也较高[5-6]。基于此，本文开发了一种简易的高压电气结点温度越限预警指示装置，旨在降低投资成本的同时，保证结点超温预警的及时性和准确性，维护电力系统的正常运行。

二研究内容

在电力设备的电气结点构件中，螺栓是必不可少的关键零件，起到连接、紧固、承力的作用。本研究将温度超限预警装置与螺栓相结合，既安装简易、不用增设其他专用设备，又可根据受监测装置的实际情况，选配对应型号的指示螺栓，通过螺栓底部一个带内螺纹的孔，与线夹固定螺丝配合拧紧，完成安装。

1、设计原则

（1）稳定性：高压电气结点温度预警装置是及时发现电力设施隐患和缺陷的一个重要手段，设备的安全稳定性非常重要。当电气设备暴露于外部环境，经历风吹雨雪等恶劣天气，装置能否保证设计性能，维持监测预警能力的稳定性就显得非常重要。

（2）准确性：高压电气结点的温度将直接影响部件的寿命和电气设备的安全性。因此必须保证设备内部测温元件的寿命及测量准确性，保证在恶劣环境、高负荷状态、长时间持续运行等情况下，都能维持温度测试结果的准确性，确保预警指示结果真实、可靠。

（3）实用性：预警装置必须做到易于安装、便于更换，尽量减少额外的设备投入，并能及时、醒目地为巡检人员提供相应参考，减少其巡检工作强度，同时避免人工巡检环节的疏忽和问题遗漏。

2、总体结构

WD-80型温度越限指示螺栓由螺栓、启动源、动力源及外壳等部分构成，可安装在线夹等监控部件的紧固螺栓上。启动源由特殊热敏元件和控制装置组成，可对部件温度进行准确测试，并在温度达到上限温度时，向动力源传达相应信号。动力源由动力装置及红色指示块组成，当接收到启动源的启动信号后，通过动力装置引导指示块活动，完成预警指示工作。因此，当受监控部件的温度超过设定温度值，即温度越限后，螺栓上的红色指示块会立即弹出，表明该部件已经产生温度过高的现象。安全巡查人员一旦发现有红色指示出现，可及时对该部件连接处进行相应的处理，避免发热情况产生恶化、引发安全故障。在受监控部件温度恢复正常后，操作人员可以用绝缘棒将弹出的指示盖下压复位，预警指示装置可以继续进行监测。温度越限指示螺栓在报警前后的实物效果如图1所示。

（a）报警前（b）报警后

图1温度越限指示螺栓在报警前后的效果图

结合设备功能和设计原则，本研究重点解决的关键技术包括：

（1）接触式敏感测温探头的开发研究，工作温度最高达180℃。

（2）微功耗信号传导技术，在复杂天气环境下，温度越限指示螺栓均可在监测到温度超限值后，向动力源传达指示信号，引导红色指示块弹出预警。

（3）在高电压电气结点上，温度越限指示螺栓不发生尖端放电，不影响其他设备的运行，不对巡检人员的安全造成威胁。

（4）装置内部的启动源和动力源均采用全机械结构，避免电路或能源供应故障影响设备的主要功能。

（5）指示块与其他组件采用无缝连接，防止漏水、漏油、氧化，影响设备使用寿命和准确性。

（6）该设备主要适用于高压开关柜触头及接点、户内外变压器、箱式变电站、高压母线接头、高压电缆接头、刀闸开关及发电厂锅炉等场所的电气结点发热温度的实时监测，也可适用于其他工业领域的控件温度监测。

三与国内外同类研究和技术的综合比较

目前，国内外对高压设备的温度监测方法主要有：蜡片测温法、热红外测温法和等电位温度检测探头测温法。

蜡片测温法：主要部件为示温蜡片（或称感温蜡片），石蜡片颜色可随电气设备的温度变化而不断变化，因此巡检人员可根据石蜡片的颜色来判断电气设备的温度。该检测方法虽年代悠久，操作简单，但无法定量测量出设备元件温度，完全依靠巡检人员的个人经验来判断是否超温，可靠性和精确度较差，且高压开关触头、电缆接头等易发热的电气结点在运行时无法被观测到，因此不能用该法对相应部件进行测量[7]。

红外线热成像测温法：该方法通常借助红外测温枪、远红外成像仪等非接触式测温设备，对物体所散发热量的分布图进行捕捉，并在相应的仪器上形成热量分布图像，并转化为温度检测结果，其具有测量范围大、准确度高、结果可视化等特点。但该方法无法实现电气设备运行温度的实时在线监测，且设备成本昂贵，无法进行大规模推广和应用。同时，由于电气开关柜内部的断路器动静接头、电缆接头等位置较为隐蔽且存在遮挡，使用热红外测温技术无法对此类设备进行准确测量。另外，热红外测温技术的准确性极易受环境因素影响，太阳光、风沙、雨雪等环境均会对测量结果产生干扰。

等电位温度检测探头测温法：该方法的本质是通过热传导技术原理，将温度测试线与相应的热导体节点直接接触，实现接触式直接测温。而温度探头则可将温度信号转化为电信号，输出到后台的集中控制系统中，由于电信号的连续性，该方法可实现关键设备结点温度的不间断测试。该方法虽准确性高，但对于大范围的设备结点温度测试，则须加装许多的测试探头和信号传输线路，增加了系统复杂性和后期的维护工作量，加大了人力物力投入。

与螺栓相结合的电气结点温度越限预警指示装置较其他同类电气温度监测技术，具备温度监测准确度高、可靠性强、经济实用等优势。该装置可安装于任何需要监测温度的电气结点，不受设备型号、设备位置、结点位置所限制。同时，该预警指示装置不受天气、电磁干扰的影响，且预警结果较为显眼，巡检人员无需手持测温仪器，只需通过观察红色指示块是否弹出来判断结点温度是否越限，大大降低了巡检工作强度。

四关键指标

1、技术参数

工作温度：-40℃~180℃

动作温度：80℃±3℃

外型尺寸：φ36×28mm

复位方式：人工复位

使用次数：超过5万次

本装置不受雨、雪、冰、污垢等各类复杂环境情况影响，仍可保证设备的正常使用和预警指示。

2、设备系列

WD-70型温度越限指示螺栓：上限温度70℃，误差范围±2℃。

WD-80型温度越限指示螺栓：上限温度80℃，误差范围±2℃。

WD-90型温度越限指示螺栓：上限温度90℃，误差范围±2℃。

可根据受监控部件的实际情况，灵活设定上限温度（即报警温度值），并使测量误差范围控制在±2℃内，保证监测结果的准确度。

3、适应环境

输电线路导线（含电缆）长期工作在大负荷、大电流、连接部件接触不良等高负荷情况下，极易出现接头部位温度过高而引发各种故障。据不完全统计，仅仅线缆故障就有40%是由于接头接触不良所造成的。因此，快速、准确找到隐患所在，是有效防止和消除电气结点超温故障的关键[8]。

WD系列温度越限指示螺栓是为了检测输电线路导线（含线缆）接头处温度变化的情况，具有在温度超过限定值时产生警示作用的新设备。适用于所以利用螺栓压接连接、需要监测温度的电气部件，且技术参数完全满足电力系统和相关行业的要求，使用范围包括10kV环网柜，各电压等级变电站室内、室外柜内连接部位等。上限温度可在70℃、80℃、90℃或用户要求的任意温度范围内设定，温控精度在2%以内，可以醒目、准确指示接头处的温度异常，使故障隐患及时暴露，保证有效的安全防范。由国网北京电力建设研究院对装置进行的性能指标测试试验证明，其螺栓温控精度能在越限范围内及时报警，准确提示发热点位置，从而方便巡查人员迅速发现隐患。

4、性能特点

（1）拥有完全自主知识产权的螺栓温控报警技术；

（2）能快速判别接头处温度是否达到或超过设定温度，报警及时、准确，观察十分方便。预警装置为全机械无源结构，体积小，安装简单，不改变电气设备原结构；设备报警后，警示信号不会自动消失，须由维护人员手动复位；

（3）可根据用户的实际需求设定越限温度值，使用方便、灵活，便于更换；

（4）设备运行不受环境、电磁干扰等因素影响，保证设备性能在高负荷、高强度、长时间内不发生变化。

五结束语

高压电气结点温度的越限监测，是防止电气结点过热烧毁、引发严重电力系统安全事故的重要保障，对保障电力系统安全运行有着重大意义。

本文所研究的电气结点温度越限预警指示装置，具有设计轻便、报警及时准确、安装简单、易于更换、成本低廉、性能稳定等特点，不仅可以大大减轻工人定期巡检的劳动强度，提高工作效率，也能避免人工巡检中可能出现的遗漏和疏忽，提高电气设备的安全运行水平和供电可靠性，带来显著的社会效益和经济效益。

参考文献:

[1]潘敏,汤寅.电气设备结点远程温度监测系统[J].农网智能化,2015(9):30-31.

[2]冯勇.鹤岗地区高压电气节点无线测温系统研究[D].华北电力大学,2014.

[3]阮海波.基于物联网技术的高压电气结点温度监测系统研究[J].工业控制计算机,2012,25(10):33-34.

[4]潘存良,丁立云,羊磊,等.电气结点温度在线监测系统:中国,201220412209.5[P]2012-08-20.

[5]杨庆江,刘晓亮,苏漫绮,等.高压电气节点温度的预测模型[J].黑龙江科技大学学报,2018,28(4):405-409.

[6]许庆炜,舒军,胡永里,等.基于JavaEE的分布式红外电气结点实时测温监测系统[J].湖北第二师范学院学报,2015,32(8):29-31.

[7]覃楠.高压电气实验中危险节点分析及其控制措施[J].现代制造,2014(33):12-13.

[8]常旭东.一种用于电气节点温度的在线监测装置:中国,201420834364.5[P]2014-12-25.