运行中高压开关柜实际温升分析及解决发热技术措施
【摘 要】 对国产JYN、KYN手车柜和合资厂生产的8BK20开关柜的实际温升数据进行分析后发现，运行中开关柜的温升水平均超过型式试验测得数据。然后，从试验条件、金属膨胀效应、坚固螺栓压力、导体材料电导率等方面进一步分析了温升超标的原因。最后提出建议，应根据实际情况选用和维护开关柜，安装温度监控装置。
【关键词】 开关柜 温升 型式试验 故障案例 技术措施
随着电网的发展和设备技术的提高，10,35kV系统开关柜在电网中已大量使用。而开关柜的内部过热现象已成为开关柜使用中的常见问题，由于开关柜体的密闭性，在一些负荷较重的地区，存在开关柜的温升超标问题。
开关柜的温升超标，直接影响设备的安全稳定运行，而且，过热问题是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程度会不断加剧，并对绝缘件的性能及设备寿命产生很大的影响。
目前，对电力系统内部使用的开关柜，严格遵守设备采购程序及技术政策，确保入网的开关柜都通过型式试验，尤其对温升的要求比较严格。运行中，负荷通常都不会达到开关柜的设计满容量，开关柜的温升问题应该不会很突出，但是实际情况并不尽然。
1 开关柜实际温升数据分析
1.1 国产JYN手车柜
某变电站2台同型号、同参数的10kV主变开关柜的实测温升与负荷关系的统计。开关柜为福建某开关厂生产，JYN1-10型。测试温度为开关柜箱体的外表温度。
数据显示，随着负荷的增加，开关柜的温升迅速加快。当负荷接近1900A（约为开关柜额定电流2500A的76%），温升尤为明显，最大达47℃，已经不符合标准要求（标准为满负荷条件下30℃），而负荷较低时（1200A以下），温升则不明显。
1.2 国产KYN手车柜
我们对某变电站10kV主变开关柜的实测温升与负荷关系的统计，开关柜为扬州某开关厂生产，KYN28-10型，配用VD4断路器。测温前打开部分顶盖，对开关柜箱体外表温度及主母排温度同时进行测试。
数据表明，母排最高温度已经达到100℃，温升88℃，明显超标（母排温升标准为65℃）。由于该站温升问题比较突出，制造厂针对这一情况对变电站10kV开关柜1，2号母线桥采用新型钢重新制作，主母线铜排规格更换为2×TMY120×10（原规格为2×TMY100×10），并进一步改进了通风系统。2号主变开关柜经改造后，温升情况略有好转，但是与该开关柜型式试验提供的温升数据偏差仍然较大。
1.3 合资厂的手车柜
某合资厂开关柜，为上海某开关有限公司生产，型号为8BK20，测试位置为开关柜箱体外表及内部母线母排。
此处，开关柜温升暂时没有超标，但是应该注意，此时负荷并没有达到额定容量的70%，但是温升已经接近上限。由此可见，合资厂产品虽然温升情况优于国产设备，但同样也存在温升超标情况。
数据证明，运行中的开关柜实际温升水平通常都要超过试验室测出的温升数据。而且，多数情况温升超标时开关柜甚至远没有达到设计满容量。
2 高压开关柜发热故障案例
杭州电力局武林变的两台主变10kV，JYN型大电流压进线柜，投运以来一直存在触头发热现象。1号主变10kV小车断路器曾因C相母线侧触头发热变黑，后由厂家更换触头。1998年5月运行人员巡视设备时发现2号主变10kV断路器触头发热（有红光），当时10kV负荷为555A，拉出小车发现C相母线侧动触头严重烧伤，后对触头进行全部更换。7月，2号主变10kV负荷1470A，运行人员发现断路器柜门、小车面板温度过高，后决定控制负荷，同时加强巡视。8月，2号主变10kV开关柜因发热引起开关柜爆炸。在出现以上现象时，曾多次与厂家联系，并进行了大量的预防措施，但仍然未能防止事故的发生。类似台州电厂6kV开关柜故障也是由于电气连接点的过热引发的。据不完全统计，目前国内的众多发电公司、电力公司（河北、四川、北京、浙江、福建等地）均不同程度地出现了变电站开关柜温度异常变化，进而引发事故的现象。而目前就大电流柜发热采取强制通风措施、防磁隔热措施等不足以很好地状态实时在线监测温度。随着工业及电力的发展，中高压开关柜容量日益增加，而某些地区用电负荷的快速增长，使一些变电站的10kV侧负荷电流已接近或超过3.2kA，现运行的31.5kA开关柜已不能满足运行需要。为此，选用额定电流4kA大电流开关柜已是大势所趋。目前国内12kV中置柜其电流已逾4000A，从而对开关柜内温升的控制要求越来越高。同时，开关柜的智能化，也需要对开关柜温度的在线监测。
3 开关柜实际温升超标原因分析
开关柜内部实际温升情况，尤其是母排连接等部位，通常总是比型式试验测出的数据高。主要有以下几点原因：
（1）型式试验测得数据通常是在试验室完成的，持续时间不长， 通常不超过8h，不具备温升累积效应，不能等同于长期运行并持续发热的设备。
（2）不同金属的膨胀效应不同。钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多，尤其是螺栓型设备接头，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关差异而产生蠕变，也就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形，蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。实践证明，当接头处的运行工作温度超过80℃时，接头金属将因过热而膨胀，使接触表面位置错开，形成微小空隙而氧化。当负荷电流减小温度降低回到原来接触位置时，由于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热量增加，所增加的温度又使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。
（3）连接部位紧固螺栓压力不当。部分安装或检修人员在导体连接上认为连接螺栓拧得愈紧愈好，其实不然。特别是铝质母线，弹性系数小，当螺母的压力达到某个临界压力值时，若材料的强度差，再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，反而使接触面积减少，接触电阻增大，从而影响导体接触效果。
（4）选用的导体材料电导率不满足要求，多数属于导体原材料纯度不够。
（5）现场的其它因素，比如可能存在安装检修工艺不当，如母线在加工、连接、安装过程中，对母线接触表面处理不到位、不平整、不光滑、没有涂专用电力脂等，导致有效接触面积减少接触电阻增大而发热。
开关柜型式试验中的温升数据，并不能正确反映运行中的开关柜实际温升水平，特别是长期运行负荷比较重的开关柜，由于长时间温升的累积效应，运行中的开关柜实际温升水平通常都要超过试验室测出的温升数据。部分制造厂对开关柜实际运行中的温升水平并没有深入地研究，比如大多数厂家给额定3150A的开关柜按照2500A的标准启动风扇，在开关柜经历长时间的高负荷运行后，再采取这个标准是不合理的，通常是风扇没有启动，温升早已超标了。
所以，选用开关柜设备的时候，不能盲目相信制造厂的试验室数据，在日常运行维护管理中，也不能盲目套用试验室的数据标准。实践经验，往往也是非常重要的。只有重视实践，并不断针对实际情况，分析解决问题，才能真正把对设备的安全运行管理工作做到实处。
4 解决发热的技术措施
4.1 国内外现有开关柜温度监测系统现状
国外有一种开关柜温度监测系统，将激光温度传感器置于开关柜内容易过温点，用于测量温度，电池预置于传感器内，为传感器提供电源；温度显示屏装于开关柜门上，用于显示传感器传来的开关引线接头的温度；用光纤连接激光温度传感器与温度显示屏。光纤是绝缘的，不会减小电气距离，满足安全要求，但还存在以下缺点：
（1）性能不可靠，由于传感器的电源是用电池提供的，所以一旦电池失效，监测就会中断，而更换电池需要开关柜停电，影响供电可靠性。
（2）运行不稳定，因为传感器与温度显示屏之间采用光纤连接，检修时光缆很容易被碰断。
（3）安装工作量大，需要改造原有开关柜。
国内也有用于开关柜内引线接头的测温装置，其原理是在所测点温度大于设定的温度时，装置的弹簧接点闭合，启动信号回路报警，但是无法定量测定准确的温度，无法记录历史数据，不能掌握温度变化趋势。
4.2 杜邦公司WK型高压开关柜温度监测仪
基于以上这种弊端缺陷情况，福州杜邦电气科技有限公司同福州新益计算机应用研究所联合研制了WK型高压柜温度在线检测仪。依靠自身强大的技术开发力量，依托福州天宇电气集团公司作为产品现场试验基地。该产品的创新点在于采用红外光线编码信号进行传送，使系统中不存在线路连接，不破坏开关柜内的电气安全距离，具有高压隔离彻底，结构简单，抗干扰性强，工作可靠等特点。供电方式采用温度检测器与测温点处同一高电位，检测器工作电源没有从外部供给，而从内部产生。利用铁芯磁饱和原理，再通过电子稳压装置，向检测器提供稳定可靠的电源，使系统更具安全性。其工作过程是在高压侧直接测量温度值，通过在高压端的检测器把温度值变换成编码红外线信号，传输给低压端的接收器，供主机处理显示，及向上位机传递。该产品在结构上紧凑小巧，与开关柜配套时，原柜结构无需变动，即使在老变电站改造中只需在相应处打上安装孔即可加装不影响原柜各种性能，特别是开关柜的绝缘性能几乎不被影响。采用特制的温度传感器直接接触式测量温度，测量更准确，以便更好的早期发现故障苗头，消除事故隐患，为分析开关柜工作状态提供基础数据，从而转为状态维修，提高电能质量。该产品已成功安装于数个变电站、电厂，至今系统运行良好。
该监控仪主要功能：
（1）实时在线检测并显示开关柜各个触头的温度值，其精度可达±3℃。
（2）能贮存24h内最高温度及其发生的时间。
（3）按需要设置二级报警点，达第一级警戒点时，可起动风机强迫触头降温，当降温无效，温度升到第二报警点时，将输出报警信号。
（4）有时钟调整功能。
（5）有故障自检功能。
（6）具有微机联网通讯接口，实现远程监控。
该产品由电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心通过，荣获2004年福建省科技项目进步奖。
【关键词】 开关柜 温升 型式试验 故障案例 技术措施
随着电网的发展和设备技术的提高，10,35kV系统开关柜在电网中已大量使用。而开关柜的内部过热现象已成为开关柜使用中的常见问题，由于开关柜体的密闭性，在一些负荷较重的地区，存在开关柜的温升超标问题。
开关柜的温升超标，直接影响设备的安全稳定运行，而且，过热问题是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程度会不断加剧，并对绝缘件的性能及设备寿命产生很大的影响。
目前，对电力系统内部使用的开关柜，严格遵守设备采购程序及技术政策，确保入网的开关柜都通过型式试验，尤其对温升的要求比较严格。运行中，负荷通常都不会达到开关柜的设计满容量，开关柜的温升问题应该不会很突出，但是实际情况并不尽然。
1 开关柜实际温升数据分析
1.1 国产JYN手车柜
某变电站2台同型号、同参数的10kV主变开关柜的实测温升与负荷关系的统计。开关柜为福建某开关厂生产，JYN1-10型。测试温度为开关柜箱体的外表温度。
数据显示，随着负荷的增加，开关柜的温升迅速加快。当负荷接近1900A（约为开关柜额定电流2500A的76%），温升尤为明显，最大达47℃，已经不符合标准要求（标准为满负荷条件下30℃），而负荷较低时（1200A以下），温升则不明显。
1.2 国产KYN手车柜
我们对某变电站10kV主变开关柜的实测温升与负荷关系的统计，开关柜为扬州某开关厂生产，KYN28-10型，配用VD4断路器。测温前打开部分顶盖，对开关柜箱体外表温度及主母排温度同时进行测试。
数据表明，母排最高温度已经达到100℃，温升88℃，明显超标（母排温升标准为65℃）。由于该站温升问题比较突出，制造厂针对这一情况对变电站10kV开关柜1，2号母线桥采用新型钢重新制作，主母线铜排规格更换为2×TMY120×10（原规格为2×TMY100×10），并进一步改进了通风系统。2号主变开关柜经改造后，温升情况略有好转，但是与该开关柜型式试验提供的温升数据偏差仍然较大。
1.3 合资厂的手车柜
某合资厂开关柜，为上海某开关有限公司生产，型号为8BK20，测试位置为开关柜箱体外表及内部母线母排。
此处，开关柜温升暂时没有超标，但是应该注意，此时负荷并没有达到额定容量的70%，但是温升已经接近上限。由此可见，合资厂产品虽然温升情况优于国产设备，但同样也存在温升超标情况。
数据证明，运行中的开关柜实际温升水平通常都要超过试验室测出的温升数据。而且，多数情况温升超标时开关柜甚至远没有达到设计满容量。
2 高压开关柜发热故障案例
杭州电力局武林变的两台主变10kV，JYN型大电流压进线柜，投运以来一直存在触头发热现象。1号主变10kV小车断路器曾因C相母线侧触头发热变黑，后由厂家更换触头。1998年5月运行人员巡视设备时发现2号主变10kV断路器触头发热（有红光），当时10kV负荷为555A，拉出小车发现C相母线侧动触头严重烧伤，后对触头进行全部更换。7月，2号主变10kV负荷1470A，运行人员发现断路器柜门、小车面板温度过高，后决定控制负荷，同时加强巡视。8月，2号主变10kV开关柜因发热引起开关柜爆炸。在出现以上现象时，曾多次与厂家联系，并进行了大量的预防措施，但仍然未能防止事故的发生。类似台州电厂6kV开关柜故障也是由于电气连接点的过热引发的。据不完全统计，目前国内的众多发电公司、电力公司（河北、四川、北京、浙江、福建等地）均不同程度地出现了变电站开关柜温度异常变化，进而引发事故的现象。而目前就大电流柜发热采取强制通风措施、防磁隔热措施等不足以很好地状态实时在线监测温度。随着工业及电力的发展，中高压开关柜容量日益增加，而某些地区用电负荷的快速增长，使一些变电站的10kV侧负荷电流已接近或超过3.2kA，现运行的31.5kA开关柜已不能满足运行需要。为此，选用额定电流4kA大电流开关柜已是大势所趋。目前国内12kV中置柜其电流已逾4000A，从而对开关柜内温升的控制要求越来越高。同时，开关柜的智能化，也需要对开关柜温度的在线监测。
3 开关柜实际温升超标原因分析
开关柜内部实际温升情况，尤其是母排连接等部位，通常总是比型式试验测出的数据高。主要有以下几点原因：
（1）型式试验测得数据通常是在试验室完成的，持续时间不长， 通常不超过8h，不具备温升累积效应，不能等同于长期运行并持续发热的设备。
（2）不同金属的膨胀效应不同。钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多，尤其是螺栓型设备接头，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关差异而产生蠕变，也就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形，蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。实践证明，当接头处的运行工作温度超过80℃时，接头金属将因过热而膨胀，使接触表面位置错开，形成微小空隙而氧化。当负荷电流减小温度降低回到原来接触位置时，由于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热量增加，所增加的温度又使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。
（3）连接部位紧固螺栓压力不当。部分安装或检修人员在导体连接上认为连接螺栓拧得愈紧愈好，其实不然。特别是铝质母线，弹性系数小，当螺母的压力达到某个临界压力值时，若材料的强度差，再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，反而使接触面积减少，接触电阻增大，从而影响导体接触效果。
（4）选用的导体材料电导率不满足要求，多数属于导体原材料纯度不够。
（5）现场的其它因素，比如可能存在安装检修工艺不当，如母线在加工、连接、安装过程中，对母线接触表面处理不到位、不平整、不光滑、没有涂专用电力脂等，导致有效接触面积减少接触电阻增大而发热。
开关柜型式试验中的温升数据，并不能正确反映运行中的开关柜实际温升水平，特别是长期运行负荷比较重的开关柜，由于长时间温升的累积效应，运行中的开关柜实际温升水平通常都要超过试验室测出的温升数据。部分制造厂对开关柜实际运行中的温升水平并没有深入地研究，比如大多数厂家给额定3150A的开关柜按照2500A的标准启动风扇，在开关柜经历长时间的高负荷运行后，再采取这个标准是不合理的，通常是风扇没有启动，温升早已超标了。
所以，选用开关柜设备的时候，不能盲目相信制造厂的试验室数据，在日常运行维护管理中，也不能盲目套用试验室的数据标准。实践经验，往往也是非常重要的。只有重视实践，并不断针对实际情况，分析解决问题，才能真正把对设备的安全运行管理工作做到实处。
4 解决发热的技术措施
4.1 国内外现有开关柜温度监测系统现状
国外有一种开关柜温度监测系统，将激光温度传感器置于开关柜内容易过温点，用于测量温度，电池预置于传感器内，为传感器提供电源；温度显示屏装于开关柜门上，用于显示传感器传来的开关引线接头的温度；用光纤连接激光温度传感器与温度显示屏。光纤是绝缘的，不会减小电气距离，满足安全要求，但还存在以下缺点：
（1）性能不可靠，由于传感器的电源是用电池提供的，所以一旦电池失效，监测就会中断，而更换电池需要开关柜停电，影响供电可靠性。
（2）运行不稳定，因为传感器与温度显示屏之间采用光纤连接，检修时光缆很容易被碰断。
（3）安装工作量大，需要改造原有开关柜。
国内也有用于开关柜内引线接头的测温装置，其原理是在所测点温度大于设定的温度时，装置的弹簧接点闭合，启动信号回路报警，但是无法定量测定准确的温度，无法记录历史数据，不能掌握温度变化趋势。
4.2 杜邦公司WK型高压开关柜温度监测仪
基于以上这种弊端缺陷情况，福州杜邦电气科技有限公司同福州新益计算机应用研究所联合研制了WK型高压柜温度在线检测仪。依靠自身强大的技术开发力量，依托福州天宇电气集团公司作为产品现场试验基地。该产品的创新点在于采用红外光线编码信号进行传送，使系统中不存在线路连接，不破坏开关柜内的电气安全距离，具有高压隔离彻底，结构简单，抗干扰性强，工作可靠等特点。供电方式采用温度检测器与测温点处同一高电位，检测器工作电源没有从外部供给，而从内部产生。利用铁芯磁饱和原理，再通过电子稳压装置，向检测器提供稳定可靠的电源，使系统更具安全性。其工作过程是在高压侧直接测量温度值，通过在高压端的检测器把温度值变换成编码红外线信号，传输给低压端的接收器，供主机处理显示，及向上位机传递。该产品在结构上紧凑小巧，与开关柜配套时，原柜结构无需变动，即使在老变电站改造中只需在相应处打上安装孔即可加装不影响原柜各种性能，特别是开关柜的绝缘性能几乎不被影响。采用特制的温度传感器直接接触式测量温度，测量更准确，以便更好的早期发现故障苗头，消除事故隐患，为分析开关柜工作状态提供基础数据，从而转为状态维修，提高电能质量。该产品已成功安装于数个变电站、电厂，至今系统运行良好。
该监控仪主要功能：
（1）实时在线检测并显示开关柜各个触头的温度值，其精度可达±3℃。
（2）能贮存24h内最高温度及其发生的时间。
（3）按需要设置二级报警点，达第一级警戒点时，可起动风机强迫触头降温，当降温无效，温度升到第二报警点时，将输出报警信号。
（4）有时钟调整功能。
（5）有故障自检功能。
（6）具有微机联网通讯接口，实现远程监控。
该产品由电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心通过，荣获2004年福建省科技项目进步奖。
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