断路器接线端子温度监测技术

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断路器接线端子是承担断路器本体与供电线路连接的重要零部件。断路器接线端子及与之连接的母排过热的直接原因，是接线端子与导体问的接触电阻或断路器 自身触头接触电阻增大。例如端子连接处尘土沉积，以及空气污染和电磨损引起端子连接处与导线接触表面劣化，断路器操作等产生机械振动使端子松动，还有施工人员安装不到位产生的接线端子松动，都会引起断路器接线端子的过热。长期存在异常过热会有多种危害，可使断路器 自身接线端子连接处金属加速老化，机械强度下降，也可通过热传导使断路器其他部件受到影响，引起设备的机械连接隐患，甚至造 成低压配 电网络发生 电气 火灾事故。

由于温度测量技术的多样性和电力设备的不同要求，电力设备运行温度监测方式各有不同。

本文描述并总结了几种应用于断路器接线端子温度的监测技术，并简要介绍主要的温度监测技术的原理和特点。

1 接触式测量接触式测量是使测量装置与被测部件密切接触，增大热传导率，检测部件要足够耐热。传感器价格低廉，结构简单。由于要与带电部分接触，所以要考虑测量装置电压绝缘问题。应用在断路器接线端子温度监测的接触式测量方式有以下几种：示温蜡片法、热敏电阻法、热电偶法、数字传感器法等。

胡景泰(1963- )，男，教授级高工 ，博士，研究方向为电机与电器。

胡应龙(1976- )，男，工程师 ，主要从事智能控制器的研究。

- 11 - 低压电器(2013No.15) ·研究与分析 ·1.1 示温蜡片法示温蜡片法作为-种传统的测温方法，较容易实现，目前仍在电力设备中得到普遍应用。示温蜡片法是将示温蜡片贴在接线端子处，达到-定温度时，蜡片变色或者融化，因此需要工作人员定期观察蜡片来判断温度是否过高。但这种方法对温度的变化不易察觉，不易实现连续监测，蜡片融化时不易被及时发现，存在事故隐患。

基于示温蜡片的原理和图像处理技术，提出- 种可以用于接线端子温度在线监测的方法J，实现-个无人值守的低成本的断路器接线端子温度在线监测告警系统。该系统主要包括图像采集、数据处理 、中心控制室等部分。图像采集部分的功能是摄取原始视频图像，主要是由 CCD摄像头与示温蜡片完成。示温蜡片贴在接线端子处，以便能真实地反映断路器接线端子的温度；摄像头用来在线监测示温蜡片的温度变化。数据处理部分的功能是将摄像头拍摄的模拟视频信号采样转换成数字信号，单片机对收到并存储的数据进行处理，包括检测系统是否存在故障、判断示温蜡片是否变色等。根据数据处理结果判断系统的工作状态，并将相应的告警信号经 RS-485总线送至中心控制室。这种方法解决了传统的示温蜡片法不能在线监测的问题，但只能对接线端子处的温度做出粗略的判断，不能获冗体的温度值。

1.2 热敏电阻法、热电偶法、数字传感器法热敏电阻法、热电偶法和数字传感器法的共同之处是点式监测。即将若干个温度传感器 散安置在每-个断路器接线端子处，将测得的数据回传，结合微处理器以及计算机等实现运行温度的在线监测、温度超限自动报警或动作、数据存储等。

(1)热敏电阻法。热敏电阻是-种用半导体材料制成的电阻随温度变化的敏感元件。在测量端子的温度时，可以将热敏电阻埋在端子内部或利用金属将连接处的温度传至热敏电阻，将热敏电阻的温度信号转换成电压信号，再对温度信号进行补偿，得到温度测量值。热敏电阻的特点是：① 灵敏度较高；② 体积小，易加工成复杂的形状，可大批量生产；③ 工作温度范围宽，常温器件适用于 -55～315℃；④ 稳定性好，过载能力强；⑤ 缺点是线性度较差。

- 1 2 - (2)热电偶法。热电偶法也是目前温度测试中普遍使用的-种方法。测试断路器接线端子温度的安置方法和热敏电阻相似，测试原理不同。

热电偶是利用热电效应原理，即当导体两端温度不平衡时就会在导体两端产生-定的电势，不同导体产生的电势是不同的，把两种不同材料导体的-端焊接到-起作为探测端，而将另-端作为采样端，这样在采样端形成-定的电位差，对电位差进行 A/D转换 ，使其成为代表温度变化的数字信号，将数字信号进行计算处理并显示、记录下来，就完成了温度的测量显示和记录。

热电偶与热敏电阻相比灵敏度较低 ，易受环境信号的干扰，误差变大。

(3)数字式传感器法。数字式温度传感器对传统的信号放大电路、采样电路和 A/D转换电路进行集成，可直接将传感器模拟信号转换为数字信号，并以总线方式传送到计算机、微机处理器或数字信号处理器进行数据处理，大大简化了设计电路，提高了精确度。

点式 温 度监 测 的数 字 式 温度 传 感器 有DS18B20、AD7416、MAX6575等。以 DS18B20为例 ，典型的测温系统结构图如图 1所示。优势是采用单总线技术，可通过 1根信号线进行数据的双向传输并为传感器供电，大大简化了系统设计 ，每个 DS18B20均有各 自特定的64位序列号，可以在-条总线上接入多个 DSI8B20芯片，构成单总线分布式数字测温系统，测温范围 -55～125℃，精度为0.5 K。

图 1 DS18B20典型测温系统结构 图其中，按数据传输、通信网络的连接方式，可以分为有线连接和无线连接两种。

1.2.1 有线连接有线连接系统由温度传感器、数据总线、单片机、数据通信网络和上位机组成。有线连接方式· 研究与分析 · 低压电器(2013No.15)是指在温度传感器和上位机之问采用单片机和数据总线完成连接，实现数据传输和管理控制功能。

采取必要的屏蔽措施，可使有线通信更稳定，不易受外界干扰；同时依托强大的媒介，数据的传输率更高。

1.2.2 无线连接无线连接方式，主要是指数据传输采用无线通信。采用了无线连接的断路器接线端子在线监测系统 J，系统结构如图2所示。其中，无线收发拈是无线测温的关键技术。

目前，短距离无 线 收发拈通 常采 用 了ZigBee，ordic 2.4G，WiFi，3G/HSDPA，WiMAX，UWB，蓝牙等技术。主流的无线通信均采用2.4G免执照频段，主要用于近距离无线连接，目前使用较普遍的是依据 Nordic 2.4G无线通信技术的nRF24I/)l无线芯片构成的无线收发拈。

J H鍪蜇 H鏊袭 J乡J鏊蠢 H荤 H J 感器r J理单元-线发射 7 线收集rJ单元广.1主机图 2 无线测温系统结构图整个系统具有完整的数据采集、传输、处理、显示 、打影远距离通信能力，并配有强大的软件支持，不但能监测断路器接线端子的工作状态，也能为分析断路器故障提供帮助。该方式要很好地解决开关柜测温系统高低压侧之间的绝缘问题，需要解决高压侧测温装置的供电以及数据传输中抗干扰等关键技术问题。

2 非接触式测量非接触式测量方法有光纤测温、红外测温。

与接触式测量相比，不需要与测量点接触，避免了在线监测装置的电压绝缘问题；对传感器耐热性能无特殊要求，避免了传感器和被测 目标的相互干扰；对环境要求较高，不能有视窗的脏污或曲折的影响。

2.1 光纤测温光纤测温原理 主要依据是光纤的光时域反射(Optical Time Domain Teflect，OTDR)原理以及光纤的背向拉曼散射温度效应。工作原理是，脉冲激光器向被测的光纤发射光脉冲，光脉冲会沿着光纤向前传播。在传播过程中，光纤的每-点都会产生反射 ，有-部分反射光(斯托克斯和反射斯托克斯光，这两种光的波长不同)方向正好与入射光方向相反。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有-定的相关关系，反射点光纤环境温度越高，反射光的强度也就越大。

这样，背向反射光的强度就可以反映出反射点的温度，利用这个现象，通过测量出背向反射光的强度，可计算出反射点的温度。光纤测温系统结构如图3所示。系统包括耦合器、滤波器、探测器 、信号处理电路等。在输入端电信号转换为光信号，即用电信号调制光源，输出端再用光电检测器件将光信号转变成电信号。

斯号图 3 光线测温原理图与其他传感器相比，光纤作为-种新型的传感器有其独特的优势 J：(1)-根光纤可取代多个点型传感器，实现分布式在线实时测量。

(3)抗电磁干扰能力强，有很强的绝缘性，有效解决了高低压电气隔离问题。

利用光纤对接线端子测温，对环境的要求比较高，开关柜内长期灰尘积累，易导致光纤沿面放电，造成光纤绝缘性能降低。另外，光纤测温节省了大量的人工成本，但整套光纤测温设备的成本较高。

2.2 红外测温在 自然界中，凡是温度高于绝对零摄氏度的物体都可以产生红外辐射。物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成比例，物体的温度越高，所发出的红外辐射能量越强，红外测温技术正是利用了这-原理。

红外测温 是根据物体的红外辐射特性，依- 3 - 低压电器(2013No.15) ·研究与分析 ·靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到红外探测器；红外探测器经汇聚的红外光照射后，产生电信号，该电信号通过信号处理电路、补偿电路线性处理，计算出物体的温度，并在显示终端显示被测物体的温度。系统由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，核心部分是红外探测器。红外测温系统的组成结构如图 4所示。

图 4 红外测温 系统原理 图红外测温的优点是直接接受测量点发出的远红外波，接收器(传感器)可远离测量点，对断路器本体结构不产生影响，解决了强弱电隔离问题；缺点是红外测温的精度和可靠性受大气、测试背景、距离系数、物体辐射率、相邻设备热辐射、工作波长区域范围和瞬时视城等各种因素的影响，要做到准确测量难度很大。这种方法要求仪器和被测点之间没有障碍物才能测量，当环境温度高，存在灰尘、烟雾或蒸汽的条件下，可选用厂商提供的水冷套、空气吹扫器等附件才能有效地解决环境的影响并保护测温仪，实现准确测温。

3 应用举例根据 目前断路器温度监测技术的发展与应用状况，可按断路器的电压等级进行分类。如示温蜡片法和点式温度监测法比较适用于较低电压等级断路器的在线监测；红外测温技术既可适用于低电压等级也可适用于高电压等级的断路器，正在迅速发展的光纤温度监测则可应用在高电压等级的断路器。

某电厂主变 220 kV断路器接线端子为可拆螺钉连接的镀银铝结构件，断路器与架空主导线连接接线端子红外检测结果，如表 17 所示。

由表 1可见，前三次测得 A、B、C三相端子引出线 相对 温度 差 分别 为 57.82%、69.80%、72.50%。显然，30% <三相相对温度差 <80%，属于-般缺陷，对近期安全运行影响不大，但必须特别对 C相作适当维护以降低接线端子处导体温度。

- 14 - 表1 断路器接线端子红外检测结果4 结 语断路器接线端子温度检测可以采用的方法众多。我国对断路器接线端子温度在线监测技术的应用还不是很成熟。温度在线监测、实时采集网络系统，可代替传统的人工定期检测、避免对设备检修不足或检修过度，能及时了解设备的运行状态和捕捉故障征兆，保障电器设备和电力网络的安全运行，将会是该应用领域的技术发展热点。