有屏蔽罩結(jié)構(gòu)的GIS觸頭溫度紅外在線監(jiān)測技術(shù)

叢浩熹，行晉源，李慶民，齊 波，李成榕，劉有為，肖 燕

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院 山東省特高壓輸變電技術(shù)與氣體放電重點實驗室，山東 濟(jì)南 250061；2.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，北京 102206；3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；4.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，具有開斷能力強(qiáng)、故障率低、維護(hù)費用少、占地面積小等優(yōu)點，在變電站中獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。而當(dāng)GIS觸頭接觸不良時，其接觸電阻變大，通過負(fù)載電流時將產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。觸頭和母線過熱會引起絕緣老化甚至擊穿，以至引發(fā)重大事故和經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外眾多電力公司所采用的GIS設(shè)備，均不同程度地出現(xiàn)過封閉母線、隔離開關(guān)、電纜頭等部件因絕緣老化或接觸不良而造成的溫度異常現(xiàn)象及并發(fā)事故[5-6]。因此，實現(xiàn)對GIS設(shè)備溫度的在線監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)并消除熱故障隱患，對GIS安全可靠運行具有非常重要的意義。

目前，在現(xiàn)場中應(yīng)用的預(yù)防GIS設(shè)備觸頭過熱的措施主要有3種：人工觀察觸頭表面顏色[7]、定期測量回路電阻和使用紅外成像儀[8-9]對固定監(jiān)測點定期進(jìn)行溫度監(jiān)測。這些方法均存在著一定不足：前2種方法需要GIS設(shè)備停電檢修，第3種方法紅外成像技術(shù)的分辨率和精度都難以達(dá)到要求，而且這3種監(jiān)測方法均難以實現(xiàn)對GIS設(shè)備溫度的持續(xù)測量，即不能實現(xiàn)在線監(jiān)測。而目前在開關(guān)柜觸頭測溫中應(yīng)用較為廣泛的光纖光柵在線測溫方法[10-11]，由于GIS結(jié)構(gòu)的特殊性還沒得到廣泛應(yīng)用。

紅外溫度在線監(jiān)測技術(shù)[12-13]可實現(xiàn)對被測物體的非接觸式測量，且不干擾或破壞被測物體的溫度場和熱平衡狀態(tài)，同時解決了高電壓和高溫部分的有效隔離，可對GIS設(shè)備觸頭的溫度進(jìn)行連續(xù)自動測量以及越限預(yù)警，實現(xiàn)對潛在故障設(shè)備實施主動保護(hù)的可能性，具有廣闊的應(yīng)用前景[14-15]。不過，對于GIS設(shè)備中裝設(shè)屏蔽罩的斷路器和隔離開關(guān)觸頭，則一般難以實現(xiàn)對觸頭溫度的直接紅外測量。本文通過建立GIS設(shè)備的傳熱計算模型，提出一種由直接測量屏蔽罩溫度而間接獲得觸頭部位溫度的方法，并基于實驗研究獲得了觸頭溫度與屏蔽罩溫度的定量關(guān)系曲線，為實現(xiàn)GIS觸頭的紅外在線測溫提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 GIS設(shè)備紅外在線溫度監(jiān)測原理

紅外測溫是一種非接觸式的測量方法，通過接收被測物體的輻射來確定被測物體的溫度。在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不斷地向周圍空間輻射紅外輻射能量。物體紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。物體的溫度越高，發(fā)出紅外輻射的能量也越大，而且只要溫度出現(xiàn)微小變化，就可引起輻射能量明顯的變化。因而，通過測量物體自身輻射紅外能量的大小便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

對于GIS設(shè)備中裝設(shè)屏蔽罩結(jié)構(gòu)的開關(guān)，如斷路器和部分隔離開關(guān)，紅外溫度傳感器難以實現(xiàn)對觸頭溫度的直接紅外測量。觸頭溫度與電流大小、觸頭接觸狀態(tài)以及觸頭處是否存在電暈等因素都有關(guān)系，但這些因素可以反映在觸頭和屏蔽罩的溫度變化上。針對這種情況，本文提出如下方法：采用紅外測溫探頭可直接測量觸頭位置處金屬屏蔽罩的溫度，然后利用建立的傳熱學(xué)模型結(jié)合實驗研究獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度之間的定量關(guān)系，間接獲得GIS開關(guān)靜觸頭部位的溫度。如圖1所示，通過紅外傳感器能夠直接測量的屏蔽罩（T1處）溫度來間接獲得觸頭（T2處）溫度。

圖1 有屏蔽罩結(jié)構(gòu)GIS紅外在線溫度監(jiān)測裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of infrared online temperature monitoring device for shielded GIS contacts

2 GIS設(shè)備傳熱計算模型

2.1 溫度場的計算模型

以某GIS設(shè)備的單相隔離開關(guān)為例，其結(jié)構(gòu)與工況參數(shù)如表1所示，界面結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，在隔離開關(guān)內(nèi)部觸頭與金屬外殼之間的密閉空間內(nèi)，填充有SF6氣體。

表1 GIS單相隔離開關(guān)基本參數(shù)Tab.1 Basic data of single-phase GIS disconnecting switch

圖2 隔離開關(guān)界面示意圖Fig.2 Cross section of disconnecting switch

開關(guān)觸頭處的熱源主要是流過觸頭的電流產(chǎn)生，散熱主要包括導(dǎo)體和屏蔽罩之間的氣體對流散熱、屏蔽罩上傳導(dǎo)散熱、屏蔽罩和外殼之間的氣體對流散熱、外殼上傳導(dǎo)散熱、外殼與外界空氣的對流散熱等多個環(huán)節(jié)。這里進(jìn)行3點假設(shè)：

a.開關(guān)觸頭處金屬發(fā)熱均勻；

b.外界遠(yuǎn)離GIS設(shè)備處的空氣環(huán)境溫度恒定；

c.除密度外，內(nèi)部SF6氣體的其他物理特性保持恒定。

在二維溫度場求解中，氣體穩(wěn)態(tài)自然對流時，其溫度和速度受質(zhì)量傳遞、動量傳遞和能量傳遞的共同支配，由如下方程描述。

a.觸頭和屏蔽罩之間的氣體對流。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

b.屏蔽罩的熱傳導(dǎo)過程。

導(dǎo)熱微分方程：

c.屏蔽罩和外殼之間的氣體對流。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

d.GIS外殼的熱傳導(dǎo)過程。

導(dǎo)熱微分方程為：

e.外殼與空氣的自然對流過程。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式（1）—（14）中，ui、vi分別表示氣體沿 x 和 y 方向的速度分量；ti為氣體溫度；Fxi、Fyi分別為體積力在x和y方向的分量；下標(biāo)中i可取1、2、3，分別對應(yīng)觸頭和屏蔽罩之間的氣體對流、屏蔽罩和外殼之間的氣體對流、外殼與空氣的自然對流；ρ為氣體的密度；cp為氣體的比熱；p為氣體壓力；ts、tw分別為屏蔽罩溫和外殼溫度；η為氣體運動粘性系數(shù)；τ為時間。

計算邊界條件：

其中，t∞為周圍環(huán)境溫度；rso為屏蔽罩到觸頭中心線的距離，對應(yīng)的屏蔽罩外表面處的溫度為tso。

輔以定解條件，可對上述微分方程組進(jìn)行求解。求解方法可采用有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法等，進(jìn)行離散迭代求解直至收斂，即可逐層得到各節(jié)點的溫度分布情況。

2.2 導(dǎo)體觸頭與屏蔽罩溫度的仿真分析

根據(jù)上述微分方程組及邊界條件，納入GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，采用ANSYS軟件對導(dǎo)體觸頭和屏蔽罩處的溫度進(jìn)行仿真計算，得到的溫度場分布如圖3所示。圖3給出了沿軸心從內(nèi)到外（開關(guān)觸頭、屏蔽罩、外殼）的溫度場分布，可清晰地看出觸頭和屏蔽罩的溫度差異。因屏蔽罩的存在，直接測量觸頭溫度較為困難，可通過直接測量屏蔽罩溫度來間接獲得觸頭部位的溫度。

圖3 GIS設(shè)備觸頭處的溫度場分布剖面圖Fig.3 Sectional view of temperature-field distribution around GIS contacts

利用數(shù)值仿真可大致獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度的關(guān)系，但要獲得準(zhǔn)確實用的定量關(guān)系，還得依據(jù)實驗方法。

3 實驗方案與實驗結(jié)果

整個GIS設(shè)備實驗平臺包括大電流發(fā)生器、GIS隔離開關(guān)實驗?zāi)Ｐ?、紅外溫度傳感器、熱電偶等，熱電偶分別放置在隔離開關(guān)的觸頭處、屏蔽罩處、GIS設(shè)備外的空間中。

如圖4所示，首先將經(jīng)過校驗的熱電偶傳感器植入到GIS隔離開關(guān)模型的屏蔽罩（圖1中T1處）和開關(guān)觸頭處（圖1中T2處）。2個熱電偶的插頭均用硅脂涂滿，保證熱電偶與被測物體均勻良好接觸。其中屏蔽罩上的熱電偶涂滿硅脂后再用膠帶固定在屏蔽罩上，觸頭處的熱電偶用硅脂黏貼在觸頭處觸指上，2個熱電偶的引線分別通過觀察窗下的密封口引出。然后調(diào)節(jié)大電流發(fā)生器輸出電流的大小直至熱電偶的溫度示數(shù)穩(wěn)定，經(jīng)過大量實驗，獲得不同工況下GIS隔離開關(guān)觸頭溫度與屏蔽罩溫度的關(guān)系曲線。

圖4 熱電偶植入圖Fig.4 Embedded thermocouple

針對不同的環(huán)境溫度，由實驗獲得GIS設(shè)備穩(wěn)態(tài)運行時（在某一恒定電流下運行時的工況）的溫度數(shù)據(jù)，屏蔽罩溫度和觸頭溫度關(guān)系分布圖見圖5。

圖5 穩(wěn)態(tài)時觸頭溫度與屏蔽罩溫度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between contacts temperature andshield temperature in static state

從圖5中的分析可以看出：屏蔽罩溫度與導(dǎo)體觸頭和環(huán)境溫度之間存在密切關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度一定時，屏蔽罩溫度隨著導(dǎo)體觸頭溫度的上升而上升；當(dāng)導(dǎo)體觸頭溫度一定時，屏蔽罩溫度隨環(huán)境溫度降低而降低；導(dǎo)體觸頭與屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線較為復(fù)雜，需要尋找一種合適的算法通過屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度來反推觸頭溫度。

4 觸頭與屏蔽罩溫度映射關(guān)系

4.1 GIS設(shè)備傳熱模型仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的對比

根據(jù)第2節(jié)建立的GIS設(shè)備傳熱模型通過數(shù)值仿真可大致獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度的關(guān)系，表2給出了部分仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比。

表2 仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較Tab.2 Comparison between simulative results and test data

由表2可以看出，仿真結(jié)果和實測結(jié)果之間存在著一定的誤差，這是由于：實驗中GIS設(shè)備處于無限大空間中，而仿真中為簡化計算，設(shè)定GIS設(shè)備處于有限的空間中；仿真中將導(dǎo)體、屏蔽罩和外殼內(nèi)部的發(fā)射率均設(shè)為0.05，GIS溫度變化時各部分發(fā)射率可能發(fā)生改變；實驗所采用的熱電偶溫度傳感器誤差為1℃，實驗測量本身存在一定的誤差。

4.2 觸頭與屏蔽罩溫度映射關(guān)系擬合

在數(shù)據(jù)擬合和預(yù)測中，以支持向量機(jī)（SVM）算法[16-17]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）算法[18-19]應(yīng)用較為廣泛。SVM算法基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原理，可以通過有限的樣本信息在模型的復(fù)雜度和學(xué)習(xí)能力之間尋求平衡，以達(dá)到最好的推廣能力，對于小樣本數(shù)據(jù)更具有優(yōu)勢。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有良好的非線性映射能力，具有高度的自學(xué)習(xí)、自組織和自適應(yīng)能力，不需知道具體的精確模型，可逼近輸入和輸出之間的多維非線性關(guān)系。接下來的研究將應(yīng)用這2種算法對觸頭與屏蔽罩溫度的映射關(guān)系進(jìn)行研究。

本文采用最小二乘SVM方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合和預(yù)測，其具體的非線性建模過程如下。

a.建立SVM模型：

其中，tw（i）為觸頭溫度，tw（i）?R；t（i）=[ts（i），te（i）]?R2，ts（i）、te（i）分別為屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度。

b.以樣本｛（ti，twi）ti?R2，twi?R，i=1，2，…，L｝為訓(xùn)練樣本集建立系統(tǒng)模型，L為訓(xùn)練樣本總數(shù)。

c.計算第i步輸出量的預(yù)測值，并計算實測值與預(yù)測值之間的誤差。

d.令i＝i+1，重復(fù)步驟c直至收斂。

將實驗獲得的數(shù)據(jù)采用MATLAB的trainlssvm函數(shù)和simlssvm函數(shù)分別進(jìn)行訓(xùn)練和求解，以屏蔽罩溫度、環(huán)境溫度為輸入變量，觸頭溫度為輸出變量，核函數(shù)采用徑向基函數(shù)。隨機(jī)選取10組檢驗樣本，表3給出了上述算法的數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果與實測值之間的對比。

表3 實測值與2種算法的預(yù)測結(jié)果的比較Tab.3 Comparison between mesurements and forecasts by two algorithms

在設(shè)計BP網(wǎng)絡(luò)時，輸入矢量包含屏蔽罩溫度、環(huán)境溫度，輸出矢量為觸頭溫度，因此該網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點數(shù)為2，輸出層節(jié)點為1。本文采用的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 本文采用的BP網(wǎng)絡(luò)模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of applied BP network model

通過對檢驗樣本泛化能力的比較，最終確定網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點數(shù)為12。采用基于Levenberg-Marquardt算法的變梯度BP算法對BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)和閾值進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過有限次的訓(xùn)練迭代，訓(xùn)練誤差迅速收斂到一個很小的數(shù)值，表明訓(xùn)練算法快速有效。將10組檢驗樣本的數(shù)據(jù)輸入到上述經(jīng)過訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)，就可得到預(yù)測數(shù)據(jù)。將實驗獲得的200組數(shù)據(jù)分為兩部分，從中隨機(jī)選取10組為檢驗樣本，其余部分作為訓(xùn)練樣本。表3給出了BP網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測結(jié)果與檢驗樣本的實際數(shù)據(jù)的比較。

對比表3可見，SVM方法和BP網(wǎng)絡(luò)算法均能夠根據(jù)屏蔽罩溫度的變化對導(dǎo)體觸頭溫度做出較準(zhǔn)確的預(yù)測。盡管預(yù)測模型結(jié)果和實際結(jié)果存在微小差別，但均在誤差允許的范圍內(nèi)，總體而言，BP網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測準(zhǔn)確度更高。

5 暫態(tài)溫升實驗

由第4節(jié)可知，基于BP網(wǎng)絡(luò)算法可由屏蔽罩溫度準(zhǔn)確預(yù)測穩(wěn)態(tài)時的GIS觸頭溫度。為研究電流突然變化時上述方法的可行性，開展了如下實驗。

分別加載大電流（iL分別取1.0 kA、1.8 kA）并保持穩(wěn)定，此時環(huán)境溫度基本恒定，同時記錄導(dǎo)體觸頭溫度隨時間的變化情況并將BP網(wǎng)絡(luò)算法的計算擬合結(jié)果與實測曲線進(jìn)行對比，如圖7所示。

圖7 暫態(tài)時觸頭溫度的擬合結(jié)果Fig.7 Results of contacts temperature fitting in transient state

從圖7可以看出，在導(dǎo)體電流突然變化時，BP網(wǎng)絡(luò)算法的計算擬合結(jié)果仍具有較高的準(zhǔn)確度，由屏蔽罩的溫度仍可準(zhǔn)確反映觸頭的溫度變化，本文的測溫方法和BP網(wǎng)絡(luò)算法仍然非常有效。

6 結(jié)論

針對紅外傳感器不能直接測量帶有屏蔽罩結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體觸頭溫度，本文提出由直接測量屏蔽罩溫度來間接獲得觸頭部位溫度的方法，建立了GIS傳熱分析模型，并通過實驗獲得了各個部位溫度之間的定量關(guān)系，進(jìn)而采用SVM算法和BP網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)觸頭溫度的準(zhǔn)確預(yù)測。相關(guān)技術(shù)可實現(xiàn)對GIS設(shè)備觸頭溫度的連續(xù)自動監(jiān)測以及越限預(yù)警，為GIS設(shè)備的觸頭測溫和運行狀態(tài)評估提供了基礎(chǔ)依據(jù)。