高壓開關柜電纜室溫度場分析及在線監(jiān)測系統(tǒng)構建

熊 蘭，徐敏捷，楊子康，趙艷龍，焦 陽

（1.重慶大學 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044；2.湖州電力局，浙江 湖州 313000）

0 引言

隨著城市經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城區(qū)配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，高壓開關柜投運數(shù)量也相應增加，其運行情況對電網(wǎng)的可靠性影響巨大。而開關柜封閉性、成套化的特點增加了其熱故障發(fā)生的概率，這一問題已經(jīng)引起了諸多學者的關注。目前對于開關柜過熱故障的研究集中于組件溫度的在線監(jiān)測，如文獻[1]提出了基于光纖光柵傳感器的隔離觸頭溫度測量方案，文獻[2]提出了基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡和GPRS技術的開關柜溫濕度監(jiān)測方案。但以上研究中對于傳感器布點的有效性并沒有進行考察，監(jiān)測點數(shù)據(jù)是否能夠全面地反映組件熱狀態(tài)也尚欠研究?？v觀目前的文獻報道，有學者開始對開關柜組件生熱、傳熱這一物理過程的數(shù)學模型構建、計算進行研究[3-4]，例如文獻[5]對 27.5 kV GIS 母線室的溫度場進行了數(shù)值計算。但總體而言，相關的研究工作并不充分，應進一步開展以探究溫度分布特點，這將會提高在線監(jiān)測的有效性，并有助于開關柜設計工藝的優(yōu)化。

在開關柜溫度在線監(jiān)測設備的研發(fā)方面，測溫方案集中于接觸式測溫、非接觸式測溫及間接測溫。文獻[1]中采用的是接觸式測溫中較為新型的光纖光柵方案，其主要優(yōu)點為抗干擾性強、電氣隔離性好并且能貼近測溫點。由于光纖光柵本身靈敏度有限，需進行增敏封裝，為防止封裝引起內(nèi)部應力變化從而影響測溫，對封裝工藝要求很高[6]，并且光信號的解調(diào)還需專業(yè)設備支持，成本較高，因此光纖光柵技術的實用性尚待加強。文獻[2]中采用的測溫方案是傳統(tǒng)的接觸式測溫方案，將溫度傳感器進行封裝后固定于監(jiān)測對象表面。由于其不具備一、二次側的電氣隔離性，因而監(jiān)測對象一般僅限于具有絕緣層的電纜等部件。在基于熱傳導的測溫方式下，其響應速度十分有限。非接觸式測溫的代表是紅外熱像儀，其精度高、響應速度快，并且能有效實現(xiàn)電氣隔離，其主要缺點為價格昂貴，目前只能用于定期離線檢測，尚未運用于在線監(jiān)測。文獻[7]中采用氣體傳感技術進行間接測溫，主要解決了一、二次側電氣隔離問題，可直接貼近高壓部件表面進行測溫，但前端氣體存儲裝置的動作靈敏度、可靠性，以及氣體傳感器的靈敏度和響應速度還需經(jīng)過長期運行的檢驗；并且此方案只能設置單一閾值，無法進行溫度值測量，功能較為單一。

基于以上現(xiàn)狀，本文以西門子NXAIR型開關柜電纜室為研究對象，基于固體導熱微分方程、對流換熱方程、輻射換熱方程建立了傳導、對流及輻射的耦合傳熱數(shù)學模型，同時考察了內(nèi)部空氣流場對于散熱的影響。在此基礎上，本文研發(fā)了一套開關柜電纜接頭的在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用紅外探頭作為前端傳感器，有效解決了電氣隔離問題，且其本身具備精度高、響應速度快、信號容易解調(diào)的特點，因而性能優(yōu)于接觸式測溫方案；相對于紅外熱像儀，將成像功能進行了裁剪，使之能更好地適用于在線監(jiān)測，且成本僅為熱像儀的10%，更有利于推廣使用；搭建的上位機系統(tǒng)功能全面，能有效反映開關柜溫度狀況。該系統(tǒng)在現(xiàn)場運行中效果良好。

1 電纜室模型

重慶市某開閉所內(nèi)使用的一臺NXAIR型高壓開關柜曾出現(xiàn)電纜室過熱故障的問題。通過現(xiàn)場勘查及查閱產(chǎn)品說明手冊，得到柜體外形及尺寸的正視圖與側視圖如圖1所示，圖中尺寸單位為mm。

圖1 開關柜結構及尺寸參數(shù)Fig.1 Structure and size of switchgear

電纜室結構簡化后如圖2所示，組件包括單芯交聯(lián)聚乙烯電纜、電壓互感器、套筒式電流互感器以及快速接地開關，其中，電纜的額定電流為2500 A。

圖2 電纜室內(nèi)部結構Fig.2 Inner structure of cable room

由于電壓、電流互感器均采用澆注絕緣式結構，封裝有絕緣外殼，且兩者屬于二次設備，其有限的發(fā)熱量對于整體溫度場分布影響較小，可不作考慮。快速接地開關在通常情況下不投運，故也進行簡化。因此，電纜室溫度場分析模型包含了殼體和作為一次設備的電纜及其連接銅排，如圖3所示。電纜芯及連接排以銅為材料，固定螺栓以不銹鋼為材料。

圖3 電纜室溫度場分析模型Fig.3 Analysis model of cable room temperature field

2 溫度場數(shù)值模型

本文所面對的熱分析問題可分為兩部分：一是焦耳熱在組件內(nèi)的固體熱傳導問題；二是組件表面的熱輻射以及與柜內(nèi)空氣的對流換熱問題。以上傳熱問題在數(shù)學上的描述如控制方程式（1）—（3）[8-9]所示。

其中，ρ為密度；Cp為熱容；為哈密頓算子；Q為熱源項；k為熱傳導系數(shù)；T為組件溫度；n為外法線方向向量；ε為表面發(fā)射率；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)；Tamb為環(huán)境溫度；u為流體速度。

式（1）為綜合傅里葉定律和能量守恒定律得出的導熱微分方程，添加對流項形成式（3）后可描述熱對流過程[10-11]，而熱輻射的模擬通常采用形如式（2）的邊界條件進行定義[12]。

由于生熱、傳導、對流及輻射這一系列過程涉及多個物理場相互作用，且聯(lián)系較為緊密，使得表征上述過程的偏微分方程組具有較強的非線性。對于該類耦合場問題，本文將采用有限元分析方法，借助商業(yè)軟件Comsol進行求解。

3 計算分析

3.1 組件生熱分析

由于電纜終端與連接排的接觸面在微觀上并非完全貼合，而是存在一定數(shù)目的導電斑點[13]，使得電流通過時在斑點區(qū)域形成極大的電流密度，造成焦耳熱增加；加之在長期運行過程中形成的表面氧化膜，同樣使接觸面間的等效電阻增大，增加了焦耳熱的產(chǎn)生。本文采用在接觸面間增加微圓柱陣列的方式模擬導電斑點，增加電介質(zhì)薄層的方式模擬氧化膜，如圖4所示。根據(jù)電接觸理論，觸頭的收縮電阻為：

圖4 導電斑點和氧化膜分析模型Fig.4 Analysis model of contact spots and oxide film

其中，ρR為材料電阻率；a為觸頭接觸面半徑。

結合現(xiàn)場實測的接觸電阻值300 mΩ，設定微圓柱截面半徑為0.63 mm。以上分析過程中，均考慮了電導率隨溫度的線性變化，其熱敏特性方程為：

其中，δ、δ0分別為電導率、初始電導率；α為熱敏系數(shù)。

在Comsol仿真流程樹的幾何節(jié)點下進行組件幾何建模，過程如下。

a.由于三相組件結構一致，僅建立單相模型，以節(jié)約系統(tǒng)開銷。

b.在焦耳熱計算模塊下設定接頭處電勢為0.05V，連接排末端為參考零電位。

c.設定組件外表面的熱輻射（式（2））以及與周圍空氣的自然對流換熱（式（6））這2個邊界條件，并進行自由四面體網(wǎng)格劃分。

其中，h為流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

d.利用瞬態(tài)求解器進行全耦合計算，可得到不同時刻組件溫度場及電流密度分布，圖5為10 s時的情況，其中溫度的單位為K。表征電流密度的流線在接頭處十分集中，這也導致該部位此時溫度已升至312K，高出連接排18K，成為熱點區(qū)域。

圖5 瞬態(tài)10 s時組件溫度場及電流密度Fig.5 Temperature field and current density of joint at 10 s

3.2 空氣流場分析

焦耳熱形成的熱量會以輻射及對流2種方式向周圍傳播，兩過程已在上文的分析中體現(xiàn)。而空氣受熱后密度發(fā)生變化，在浮力的驅動下形成層流，這一過程由式（7）所示的Navier-Stokes方程描述，即動量守恒方程；同時需滿足式（8）所示的質(zhì)量守恒方程[14]。

其中，p為壓強；μ為粘度；F為體積力。

為考察這一流場對組件散熱過程的影響，在3.1節(jié)的基礎上添加非等溫流計算模塊，將溫度場、流場兩者耦合，同樣利用自由四面體進行網(wǎng)格劃分后，通過Comsol的全耦合計算功能對該問題進行處理，得到流場在10 s內(nèi)的變化情況如圖6所示，其中空氣流速的單位為m/s。

圖中的流線反映了組件周圍空氣的流動方向，色圖反映了空氣流速大小的分布。可見空氣流動路徑較為集中，在熱點位置與冷端間進行對流，并在冷端達到最大速度。雖然最大速度有一個量級的提升，但仍十分緩慢，對于散熱貢獻甚微。因而，對于沒有安裝散熱風機的開關柜而言，溫度監(jiān)測顯得十分必要。

圖6 空氣流場的時變情況Fig.6 Time-variation of air-flow field

4 紅外監(jiān)測系統(tǒng)構建

以上分析表明，電纜終端接頭是電纜室載流回路中極易發(fā)生過熱故障的元件，本文對此研發(fā)一套基于紅外測溫的電纜終端接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)其過熱故障的在線監(jiān)測。

系統(tǒng)由前端紅外探頭、信號調(diào)理電路、微處理器單元、液晶顯示模塊、GSM模塊及上位機系統(tǒng)構成。整套系統(tǒng)結構框圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)總體結構Fig.7 Overall structure of monitoring system

4.1 紅外測溫探頭

紅外測溫探頭將熱電堆、補償電路以及光學鏡頭封裝為一體，具有非接觸式測量、響應速度快以及精度高的優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的測溫探頭主要參數(shù)如表1所示。

表1 紅外測溫探頭參數(shù)Tab.1 Parameters of infrared sensor

為同時滿足柜內(nèi)空氣絕緣要求以及距離系數(shù)要求，將探頭固定于電纜接頭正前方15 cm處，則探頭的目標范圍為直徑1 cm，與接頭尺寸匹配。由于接頭處為金屬材質(zhì)，發(fā)射率過低不利于測量，所以在接頭處涂上黑色絕緣漆以增加發(fā)射率。

4.2 信號調(diào)理電路

由表1可知，紅外測溫探頭輸出較弱，無法直接進行后續(xù)采樣工作，且三相探頭具有3路輸出，需進行分時切換采樣。利用模擬開關CD4051對3路信號進行分時切換，CD4051納秒級開斷速度使得信號采樣基本不會受到延時及串擾的影響。后續(xù)采用運算放大器INA122對選通信號進行放大，具有儀用運放結構的INA122可有效抑制共模噪聲的干擾。

4.3 中央處理單元

本系統(tǒng)采用型號為C8051F021的單片機作為微處理器，用于對調(diào)理后的信號進行AD轉換，并根據(jù)產(chǎn)品手冊提供的電壓-溫度轉換公式計算得到溫度值；再通過I/O接口與液晶顯示模塊通信，將溫度值進行就地顯示；通過2個串口分別與GSM短消息模塊以及現(xiàn)場DTU柜通信，調(diào)用AT指令集可實現(xiàn)定時發(fā)送溫度數(shù)據(jù)短信至目標手機。該單片機新型的CIP-51內(nèi)核及流水線結構使其指令周期大為縮短，處理能力優(yōu)越；混合信號系統(tǒng)的特點更使其具有豐富的片上資源，內(nèi)置AD達到12位精度，對于直流信號的采集有足夠準確度。

4.4 硬件系統(tǒng)封裝

由于紅外探頭位于電纜室，受電磁場干擾較大，采用磁導率較高的坡莫合金作為外殼，以最大限度地屏蔽干擾。除紅外探頭外，其余單元所在印刷電路板均以鋁合金外殼封裝后置于DTU柜中，并設置接地屏蔽線。由于DTU柜本身良好的屏蔽性，以上措施已能夠保證硬件系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

4.5 上位機系統(tǒng)

DTU柜利用電力專用信道向SCADA系統(tǒng)上傳實時溫度數(shù)據(jù)，以構建功能更為完善的上位機系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)通過異步串口通信方式向DTU柜上傳實時溫度數(shù)據(jù)；搭載嵌入式實時操作系統(tǒng)的DTU柜按照104規(guī)約進行遙信。遠端監(jiān)控主機可通過監(jiān)測軟件進行溫度數(shù)據(jù)接收、趨勢曲線繪制以及報表儲存。監(jiān)測軟件通過Labview平臺進行開發(fā)，利用串口控件、顯示控件及ActiveX等控件實現(xiàn)上述功能。

5 運行情況

整套系統(tǒng)采用第4節(jié)中所述的封裝、安裝方法，于2012年7月至今在重慶市兩路口開閉所試運行。在定期前往現(xiàn)場采用紅外點溫儀進行離線檢測的過程中，發(fā)現(xiàn)紅外探頭采樣以及單片機的信號調(diào)理均十分準確，現(xiàn)場液晶屏顯示的溫度值與點溫儀測量值偏差小于5%；與GSM模塊綁定的手機以及監(jiān)測站上位機系統(tǒng)均能正常接收到溫度數(shù)據(jù)。表2是系統(tǒng)中抽取的2013年4月8日至4月17日A相接頭以及環(huán)境的日最高溫度記錄。

表2中所列時間段內(nèi)開關柜運行正常，電纜終端與母排連接處溫度在安全范圍內(nèi)。由于負載以及環(huán)境溫度的變化，接頭日最高溫度會隨之波動。為更好地反映開關柜運行情況，上位機系統(tǒng)集成了溫度預測功能。以2013年4月8日至4月15日這8 d的溫度數(shù)據(jù)為樣本，通過組合預測算法得到4月16日、4月17日的預測值分別為25.63℃和25.81℃。4月16日、4月17日的實測值均為26.8℃，則預測精度分別為95.6%、96.3%，均達到了較高的預測精度。

表2 A相接頭及環(huán)境的日最高溫度Tab.2 Maximum daily temperatures of A-phase joints and environment

6 結論

a.考察了NXAIR型開關柜電纜室結構，根據(jù)實際尺寸參數(shù)以及運行時的生熱情況，構建了以電纜接頭為主要組件的電纜室?guī)缀文Ｐ汀?/p>

b.根據(jù)傳熱學理論構建組件熱傳導、熱輻射以及周圍空氣對流換熱這3個物理過程的數(shù)學模型。通過多物理場仿真軟件Comsol對幾何模型進行相應邊界條件的加載并計算分析，得出組件熱點位置，確定溫度監(jiān)測點。

c.建立空氣流場數(shù)學模型，考察電纜室內(nèi)部空氣對流的散熱效果。結果表明電纜室內(nèi)部雖然有明顯的對流現(xiàn)象，但流速很低，散熱效果甚微。

d.在溫度場數(shù)值分析的基礎上研發(fā)了開關柜電纜室溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于紅外測溫原理，響應速度快、精度高、可靠性強，其具備的功能為：實時獲取柜內(nèi)電纜接頭溫度值，并現(xiàn)場液晶顯示；常態(tài)下每隔1 h將即時溫度值短信發(fā)送至目標手機，若溫度越限則立即發(fā)送報警信息；上傳數(shù)據(jù)至現(xiàn)場DTU柜，再通過相關協(xié)議傳送至監(jiān)控室上位機系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)分析管理。