0 引言

内蒙古西部地区冬季气候极为寒冷，环境温度可低至-39.1℃^[1]。对于SF₆断路器，当环境温度达到-35℃、SF₆气体质量浓度达到35 kg/m³时，将出现液化现象，影响断路器的灭弧能力，使其无法正常工作^[2-3]。不仅如此，低温还会影响高压断路器（以下简称断路器）操作机构的机械特性^[4]，使其不能正确动作，因此温湿度控制装置（以下简称温控装置）作为断路器的重要部件，是其正常运行的重要保证。现阶段国内广泛应用的断路器温控装置多为独立运行的“闭源设备”，不能实现对运行参数的统一监控，从而给设备管理带来很大困难。

1 断路器温控装置的运行现状

现有断路器温控装置存在诸多问题，主要包括：

（1）自动化程度低，不能实现故障的自我检测和上报。当温控装置发生故障时，其本身不能自动做出反应^[5]，需运行人员到现场检查才能发现。对于大型变电站而言，断路器数目繁多、安装分散，且每个温控装置相互独立运行，运行人员只能逐个进行装置检查，工作量大且容易漏检。

（2）不能实现对断路器温控装置的实时监控。运行人员不能及时发现断路器机构箱、传动箱的温度、湿度变化情况，从而威胁断路器的安全运行。

2 断路器新型温控装置及其监控系统的设计 2.1 新型温控装置的结构及工作原理

新型温控装置包括温度传感器、湿度传感器、加热板、驱潮风扇、控制芯片、天线及巴伦匹配电路等，如图 1所示。其中1—6构成加热控制及其故障检测电路，7—12构成驱潮控制及其故障检测电路。天线及巴伦匹配电路与协调总机（或路由器）通过ZigBee网络无线连接。

根据温度传感器的输出信号判断机构箱需要加热时，控制芯片通过电平信号放大电路控制加热继电器，将加热板所在的供电回路接通，加热板开始加热；根据湿度传感器的输出信号判断机构箱需要驱潮时，控制芯片通过电平信号放大电路控制驱潮继电器，将驱潮风扇所在的供电回路接通，驱潮风扇开始驱潮。

交流变送器将加热/驱潮回路的交流电流转变为直流电压信号（模拟信号），比较器再将该直流电压信号转换为数字信号之后发送至控制芯片；控制芯片通过电平信号放大电路判断加热/驱潮回路中是否有电流通过，从而确定加热/驱潮回路是否正常启动。

2.2 监控系统功能要求

本文所述的断路器温控装置监控系统，可借助主控室的1台监控主机对整个变电站（厂区）的所有断路器机构箱及其传动箱内部的新型温控装置进行实时监控，一方面可获取断路器机构箱内部的温度、湿度参数，另一方面可实现对机构箱内加热/驱潮回路的自动检测，当加热/驱潮回路不能正常启动时，可及时将故障信息反映在监控主机上，使运行人员第一时间发现故障，从而在减少运行人员工作量的同时，保障了断路器的安全运行。

2.3 ZigBee无线通信技术的应用

断路器温控制装置数目繁多、安装分散，为了减少铺设通信电缆带来的不便，系统采用ZigBee无线通信技术实现监控主机与全站新型温控装置的实时通信。相对于其他无线通信技术，ZigBee无线通信技术具有功耗低、网络容量大、组网灵活、传输可靠、构建成本低等优点^[6]。

2.4 系统构成

变电站断路器温控装置监控系统由监控主机、协调总机、新型温控装置和无线通信路由器4部分组成，系统结构示意图如图 2所示。新型温控装置安装于断路器机构箱内部，监控主机和协调总机安装于主控室。

2.5 系统逻辑流程

新型温控装置能够自动实现对机构箱内部温度、湿度的采集和加热器的管理及其加热/驱潮回路的故障检测，并将信息统一以无线信号形式上报至协调总机。协调总机再利用RS232串口将汇总信息传至监控主机，监控主机通过编写的监控软件（电脑客户端软件）将这些信息显示出来，从而实现对整个变电站新型温控装置的实时统一监视。整个系统的逻辑流程和通信关系如图 3所示。

3 现场安装调试 3.1 新型温控装置的安装

由于断路器机构箱多为铁质材料，对无线信号有一定的屏蔽作用，使得信号传输距离缩短，因此将用于收发信号的天线置于机构箱外部，通过电缆延长线将其与新型温控装置连接，如图 4所示；现场安装效果如图 5、图 6所示。

3.2 监控软件的使用

通过监控软件可对全站断路器温控装置工作方式进行统一控制。监控主界面如图 7所示。

3.2.1 “运行状态”栏说明

正常运行情况下监控主机的运行状态栏显示“加热启动”“驱潮启动”“热潮启动”或“装置正常”，并均以黑色字体显示；异常运行情况下显示“通讯中断”“加热器故障”“驱潮器故障”或“装置异常”，并均以红色字体显示。监控主机主界面运行状态栏的显示信息与新型温控装置的运行状态关系如表 1所示。

3.2.2 参数设置

在监控主机主界面左上角点击“参数设置”，出现参数设置窗口后可以选择“手动控制”或“自动控制”。以加热回路的控制设置为例：在“手动控制”界面下可以选择自动“开启”或“关闭”加热，此时新型温控装置不受环境温度的影响，持续对断路器加热或不加热；在“自动控制”界面下可以人为填入“自启温度”和“自止温度”，新型温控装置根据自身环境温度对断路器机构箱内部的温度进行自动控制，从而实现对全站断路器新型温控装置运行状态的统一控制。

4 试验验证 4.1 功能性验证

2016年11月在薛家湾供电局西黑岱35 kV变电站对断路器新型温控装置监控系统进行了验证试验。为了检验该系统能否正确监测变电站内新型温控装置出现的异常现象，将全站新型温控装置设置为“自动控制”模式，自启温度0℃，自止温度10℃，自启湿度50%，自止湿度35%，然后分别对351、301、924、912号断路器机构箱内部的新型温控装置进行试验性操作，具体操作见表 2。监控系统显示情况如图 7所示。

结合图 7和表 3可以看出，监控系统可正确监测到变电站内新型温控装置出现的异常现象。

4.2 与传统温控装置的管理用时对比 4.2.1 温控装置运行情况检查所用时间的对比

（1）运行人员对变电站内11台传统断路器温控装置进行现场逐个检查，每台装置检查过程所需时间均在1 min左右，且大部分时间用于路程往返、开关机构箱，真正用于温控装置的检查时间只占总时间的10%，效率较低。

（2）采用新型温控装置监控系统后，运行人员只需要在监控主机查看不同断路器运行状态栏的信息即可，每台装置检查时间约2 s。运行人员还可以通过监控系统实时了解不同断路器机构箱内部的温度、湿度情况。

4.2.2 温控装置运行状态设置所用时间的对比

（1）传统温控装置运行状态必须由运行人员逐个进行设置。通过现场试验，运行人员对站内每个断路器温控装置进行运行状态设置的时间均在1.5 min左右。

（2）采用新型温控装置监控系统后，运行人员只需在监控主机的参数设置窗口改变设置参数即可实现对全站断路器新型温控装置运行状态的统一设置，时间可控制在10 s以内。

4.3 试验结论

通过试验，新型温控装置监控系统可实现对全站断路器新型温控装置的实时监控，及时将断路器机构箱内部的温度、湿度参数和加热、驱潮回路的自检情况统一反映至监控主机上。而且该系统可将运行人员对全站温控装置的巡视时间缩短为原来的10%，在减轻运行人员劳动强度、提高设备管理效率的同时，保证了断路器的动作特性和灭弧能力，大大提升了设备的稳定运行能力，保障了电网的安全运行。

5 结语

新型温控装置监控系统在西黑岱35 kV变电站经过1 a的试运行，新型温控装置运行状态良好，整个系统运行稳定。冬季运行期间，曾多次及时监测到个别加热板不能正常工作等异常情况，保障了站内断路器的安全运行。该系统在内蒙古电网锡林郭勒和巴彦淖尔等高寒地区更具有推广价值。