封閉高壓開關(guān)設(shè)備發(fā)熱的監(jiān)測與評估方法綜述

范鎮(zhèn)南，孔祥熙，張德威，李景燦，黃 銳

（1.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.國家電網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心（國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院成都分院），四川 成都 610072；3.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；4.西藏云康智能科技有限公司，西藏 拉薩 850000）

作為電力系統(tǒng)中接通和斷開回路、切除和隔離故障的重要保護(hù)與控制裝置，封閉高壓開關(guān)設(shè)備的健康狀況，直接影響著電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。由于該類設(shè)備密閉性好，體積有限，所以其溫升發(fā)熱問題逐漸突出，發(fā)生過熱故障的可能性也隨之增加。

長期以來，高壓開關(guān)柜的內(nèi)部發(fā)熱故障一直未能得到足夠有效的監(jiān)測和抑制。特別是氣溫較高的夏季，由于用電負(fù)荷居高不下，其內(nèi)部觸頭及母線接頭處等部位，常常發(fā)生過熱、燒蝕甚至爆炸事故，進(jìn)而造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。特別是12～40.5 kV電壓級別的中高壓開關(guān)設(shè)備，其觸頭、引線過熱故障多有發(fā)生，并屢次惡化為絕緣故障，引發(fā)起弧乃至設(shè)備燒損事故[1]。為此，國家電網(wǎng)公司在《十八項(xiàng)電網(wǎng)反事故重大措施》中，針對開關(guān)柜內(nèi)出線座與觸頭部位的過熱問題，明確要求加強(qiáng)相關(guān)溫度監(jiān)測與運(yùn)維檢修力度[2]。在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（gas insulated switch-gear，GIS）方面，亦明確指出“對于GIS 內(nèi)部的電連接，特別是母線的連接處，由于安裝工藝差或長期運(yùn)行的機(jī)械振動會造成個(gè)別插接觸指接觸不良，造成局部過熱”[3]。

為提高封閉開關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢修水平，避免過熱故障的發(fā)生，必須采取更為有效的發(fā)熱評估方法和研判標(biāo)準(zhǔn)。然而，對這方面的研究還有待深入，尚存在一些重要問題有待探索。本文在收集和分析相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)場測量與仿真分析2 方面，闡述了封閉開關(guān)設(shè)備發(fā)熱檢測評估方法發(fā)展現(xiàn)狀，并著重介紹了多光譜觀測窗與電磁場-流場-溫度場耦合分析方法在此類設(shè)備發(fā)熱檢測評估中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，分析探討了此類設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱監(jiān)測與評估技術(shù)的發(fā)展前景。

1 應(yīng)用多光譜觀測窗測溫

1.1 常規(guī)測溫方法及其局限性

全面準(zhǔn)確的測溫?cái)?shù)據(jù)，是優(yōu)化發(fā)熱故障研判的依據(jù)，是制定對應(yīng)監(jiān)測及診斷策略的關(guān)鍵保障。然而其內(nèi)部的大電壓、強(qiáng)電流、高溫度以及交變磁場等因素的干擾，致使早期的試紙測溫法難以滿足要求，且熱電偶、熱電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器的測溫精度亦不盡人意。近年來開始應(yīng)用的光纖式溫度在線監(jiān)測儀，雖然可以連續(xù)準(zhǔn)確地監(jiān)測高壓開關(guān)柜內(nèi)接點(diǎn)的運(yùn)行溫度，但是存在安裝維護(hù)要求高、感溫面老化脫落影響測溫采樣等問題，并且是散點(diǎn)測溫；因此，難以獲得設(shè)備的整體溫度分布情況[5-12]。紅外熱成像儀雖然可以測得物體的溫度分布云圖，但通常僅用于測量敞開式電力設(shè)備的溫度。對于封閉高壓開關(guān)設(shè)備而言，由于紅外線無法直接穿透其外殼，其內(nèi)部紅外測溫工作，長期以來并未得到有效的開展[4-12]。

1.2 多光譜觀測窗的測溫原理

此類觀測窗通常由生長晶體材料制成，能夠同時(shí)透過紅外線與可見光，因此將其安裝在封閉開關(guān)柜的柜門上，利用紅外測溫儀，即可對柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)行大面積、大范圍的溫度等物理量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

該測溫窗口主要由金屬外框、光學(xué)晶體與金屬蓋板3 部分組成，其結(jié)構(gòu)及安裝如圖1 所示。

圖1 多光譜觀測窗結(jié)構(gòu)與安裝示意圖

其中，核心設(shè)備是光學(xué)晶體，其外層有紅外鍍膜，并固定在金屬外框里。金屬外框通過螺絲或鉚釘，固定在開關(guān)柜外殼（柜門）上。為保護(hù)光學(xué)晶體，在金屬外框上，通常還裝有金屬蓋板。窗口內(nèi)徑通常有3 種尺寸：50、75 和100 mm。內(nèi)徑尺寸越大，檢測范圍越大。

光學(xué)晶體是多光譜觀測窗監(jiān)測溫度的關(guān)鍵，該晶體可透過紫外線、可見光和紅外線。其工作波段為0.15～14 μm，主要檢測低溫、常溫下設(shè)備的發(fā)熱情況。在電力行業(yè)，該波段基本上能滿足現(xiàn)有電力設(shè)備的故障檢測要求。將觀測窗安裝于高壓開關(guān)柜外殼的適當(dāng)位置，不僅能作為普通的觀測窗檢視柜內(nèi)設(shè)備情況，而且在與紅外熱成像儀配合的情況下，可方便地實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)設(shè)備的紅外發(fā)熱在線監(jiān)測。當(dāng)進(jìn)行溫度測試時(shí)，只需將紅外熱成像儀靠近并對準(zhǔn)觀測窗光學(xué)晶體，即可借助紅外熱成像設(shè)備，獲知柜內(nèi)被測區(qū)域的整體溫度情況，相關(guān)原理如圖2 所示。在實(shí)際測溫時(shí)，通過適當(dāng)調(diào)整紅外成像儀的角度，可以擴(kuò)展測量視野和范圍，以滿足大面積、大范圍的測量需求。

圖2 多光譜觀測窗紅外測溫示意圖

1.3 多光譜觀測窗測溫的現(xiàn)場實(shí)測

為驗(yàn)證此類觀測窗在柜內(nèi)設(shè)備溫度監(jiān)測中的效果，進(jìn)行了專門的測溫現(xiàn)場試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，測溫窗口的防護(hù)等級高達(dá)IP65，明顯高于開關(guān)柜的防護(hù)等級，妥善保證了測試的安全性。另外，由于試驗(yàn)是以測試柜內(nèi)銅排及接頭溫度為目的，所以觀測窗安裝于柜門外殼上正對被測設(shè)備處，現(xiàn)場試驗(yàn)照片如圖3 所示。

圖3 通過多光譜觀測窗對柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)行紅外測溫

該試驗(yàn)表明，多光譜觀測窗與紅外熱成像儀相結(jié)合，可以在不干擾設(shè)備運(yùn)行的前提下，得到相對全面合理的設(shè)備內(nèi)部溫度分布數(shù)據(jù)。

2 應(yīng)用仿真分析方法評估

對封閉高壓開關(guān)設(shè)備損耗與溫度分布的準(zhǔn)確求解，是進(jìn)一步研究其發(fā)熱問題熱成像診斷的理論基礎(chǔ)。特別是對于使用SF6氣體絕緣的GIS 設(shè)備，由于內(nèi)部壓強(qiáng)較大，且紅外線無法穿透SF6氣體，無法使用多光譜觀測窗與紅外測溫儀結(jié)合的方法，探測其內(nèi)部溫度。在此情況下，使用仿真分析的方法，評估其內(nèi)部構(gòu)件的損耗發(fā)熱情況，就顯得尤為必要。

2.1 傳統(tǒng)仿真分析方法應(yīng)用與局限

封閉高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的損耗發(fā)熱，是電磁場、流速場、溫度場等多種物理場綜合作用的結(jié)果。如果在建模分析中不能全面準(zhǔn)確考慮上述物理場之間的影響作用，是難以獲得準(zhǔn)確合理的結(jié)果的。早期的電路、磁路、熱路簡化分析方法，以及電磁場溫度場解析解法，雖然求解效率較高、便于工程應(yīng)用；但由于難以滿足上述要求，以致其分析結(jié)果的全面性、準(zhǔn)確性與合理性，皆尚有較大提升空間[13-17]。近年來，有限元等數(shù)值分析方法開始應(yīng)用于此類設(shè)備的損耗發(fā)熱研究，能夠更為準(zhǔn)確地求解其內(nèi)部的損耗（熱源），但在相關(guān)發(fā)熱求解方面，如果不能從流速場-溫度場耦合的角度開展分析，仍然難以把握設(shè)備內(nèi)部的通風(fēng)散熱狀態(tài)，進(jìn)而難以在溫度計(jì)算準(zhǔn)確性與合理性上取得實(shí)質(zhì)性的提升[18-21]。

2.2 電磁場-流速場-溫度場耦合分析計(jì)算方法的應(yīng)用

為克服上述問題，近年來，電磁場-流速場-溫度場耦合分析方法被引入了此類設(shè)備的損耗發(fā)熱分析。該方法具有2 大優(yōu)點(diǎn)。

1）把流速場-溫度場耦合分析直接應(yīng)用于散熱與溫度計(jì)算。以2 維情況為例，該方法通常使用守恒方程，來描述封閉設(shè)備內(nèi)部空間及外部環(huán)境中的氣體穩(wěn)態(tài)自然對流情況[22-23]。

質(zhì)量守恒方程為

動量守恒方程為

式中：ρ為氣體密度；P為氣體壓力，η為氣體運(yùn)動黏性系數(shù)；u、v分別為氣體速度在x和y方向的分量；g為重力加速度；β為熱膨脹系數(shù)；ΔT為冷熱面之間的溫差；Tq為氣體溫度；c為比熱容。

上述方程較為全面地考慮氣體穩(wěn)態(tài)流動散熱情況。將上述方程與熱傳導(dǎo)方程、對流及輻射散熱邊界條件聯(lián)立，即可構(gòu)成流速場-溫度場計(jì)算邊值問題模型，進(jìn)行數(shù)值求解后，可得到較為全面合理的設(shè)備溫度分布情況與氣體流動散熱情況。

2）從數(shù)學(xué)和物理理論角度，更為全面準(zhǔn)確地描述柜內(nèi)設(shè)備的電磁場、流速場、溫度場等物理場計(jì)算參數(shù)之間的相互影響關(guān)系[22-23]。通過從熱源、散熱、溫升等多個(gè)角度的分析，可全面準(zhǔn)確揭示設(shè)備運(yùn)行中電磁、通風(fēng)、發(fā)熱等物理量的形成和演進(jìn)趨勢，進(jìn)而為此類設(shè)備的運(yùn)維檢修，提供更為全面、準(zhǔn)確、適用的數(shù)據(jù)支持。以GIS 母線為例，應(yīng)用此類方法解出的溫度與散熱狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖4 所示[23]。

圖4 單相GIS 母線溫度和氣流分布

3 前景展望

3.1 尚待解決的主要問題

針對封閉高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部溫度狀態(tài)的監(jiān)測與評估工作，目前盡管已經(jīng)取得了部分進(jìn)展，但其總體成效仍然不盡人意，且近年來，也少有相關(guān)成果見于公開報(bào)道。其主要原因，在于以下2 點(diǎn)。

1）在溫度現(xiàn)場監(jiān)測方面，仍然缺乏令人滿意的技術(shù)及相關(guān)設(shè)備。在電力系統(tǒng)中，封閉高壓開關(guān)設(shè)備數(shù)量極為巨大，這使得對其內(nèi)部溫度的監(jiān)測工作，不但需要有較高的準(zhǔn)確性，亦需要其技術(shù)及相關(guān)設(shè)備較為簡單易懂才方便一線工程人員學(xué)習(xí)，還需要有較低的經(jīng)濟(jì)成本，才能為廣大基層電力部門所接受。然而，迄今為止，相關(guān)技術(shù)手段與設(shè)備尚難以滿足上述需求。其主要缺陷在于：溫度傳感器高溫失效問題尚未得到有效克服；紅外觀察窗晶體成本較高且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低；因?yàn)榧t外線無法穿透SF6氣體，所以紅外測溫難以直接探測到充滿SF6氣體的GIS 設(shè)備的內(nèi)部；無線測溫的可靠性與抗干擾性尚需進(jìn)一步提升[24-29]等。

2）溫度狀態(tài)的物理場建模分析方面，仍然缺乏足夠準(zhǔn)確、合理、高效的分析模型及其求解手段。封閉高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的發(fā)熱問題，是電-磁-流-熱多種物理現(xiàn)象的綜合作用的體現(xiàn)，只有精準(zhǔn)深入地描述其耦合作用機(jī)制，才能對相關(guān)物理場狀態(tài)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確建模。除此之外，由于此類設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的幾何形狀與材料特性較為復(fù)雜，因此對相關(guān)物理場的求解過程往往較為繁瑣冗長，其計(jì)算資源及費(fèi)用相對較高。上述問題的存在，導(dǎo)致在對封閉開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)熱物理場分析工作中，尚難以克服考慮物理場種類較少、耦合程度不高、求解效率較低等缺陷，以致其分析質(zhì)量仍具有較高的提升空間[27 -29]。

3.2 未來研究工作的發(fā)展方向

為解決上述問題，預(yù)計(jì)在未來的研究工作，將主要圍繞以下3 點(diǎn)開展。

1）進(jìn)一步重視和發(fā)展對發(fā)熱測量技術(shù)手段的研究以及相關(guān)設(shè)備設(shè)施的開發(fā)。隨著傳感器與測量、信號傳輸與通信、紅外檢測、紫外檢測，以及數(shù)字射線實(shí)時(shí)照相等技術(shù)的發(fā)展，各類檢測手段將得到大幅度的提升與綜合。封閉開關(guān)設(shè)備發(fā)熱檢測的直觀性、全面性、準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性與適用性必將得到進(jìn)一步的提升。

2）更加深入地開展仿真計(jì)算方法的研究和應(yīng)用。物理場分析模型的維數(shù)，將從當(dāng)前相對簡單的二維模型，向更為復(fù)雜具體的三維模型進(jìn)化，相關(guān)物理場數(shù)值分析大規(guī)模方程組的解算方法，亦將得到進(jìn)一步發(fā)展[30]。圖6 即為開關(guān)設(shè)備內(nèi)部三維物理場計(jì)算的幾何建模示意圖。

圖6 開關(guān)設(shè)備三維物理場計(jì)算幾何模型

針對此類設(shè)備中的電磁、流速、溫度、應(yīng)力、聲學(xué)等多種物理現(xiàn)象，以及變速機(jī)械運(yùn)動行為，將應(yīng)從數(shù)學(xué)、物理理論建模的角度，更為準(zhǔn)確合理地描述其耦合作用關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，無論是從解析求解的角度，還是從數(shù)值分析的角度，相關(guān)耦合場求解的緊密性、精準(zhǔn)性以及求解效率，都有望得到進(jìn)一步的提升。

物理場分析方法與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及測量數(shù)據(jù)的結(jié)合將更為緊密，將有望從電磁場-溫度場綜合逆問題的角度，對封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部溫度分布進(jìn)行研究，繼而對此類設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)施進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。更為先進(jìn)的綜合性狀態(tài)分析與診斷模型，亦有望取得突破。

3）對材料特性的模擬將更加趨于精細(xì)化。物理場的數(shù)值分析結(jié)果的質(zhì)量，很大程度上取決于對求解區(qū)域構(gòu)成材料的物理性質(zhì)的準(zhǔn)確模擬[30]。對封閉開關(guān)設(shè)備而言，在對其損耗發(fā)熱分析中，就涉及到對導(dǎo)磁能力非線性、導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性、渦流分布的肌膚效應(yīng)、電阻材料的溫度效應(yīng)，以及流體的熱物理性質(zhì)等一系列物理特性的精確模擬與分析。由此可以預(yù)見，在未來的研究中，此類研究工作將更為細(xì)致、具體和準(zhǔn)確，從而促進(jìn)封閉開關(guān)設(shè)備損耗發(fā)熱數(shù)值仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)論

綜上所述，截至目前，對于封閉開關(guān)設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)評估方法的研究，雖然已經(jīng)取得了一些具有建設(shè)性的成果，但其發(fā)展空間，仍然相當(dāng)廣闊。隨著采樣測量技術(shù)、物理場數(shù)學(xué)理論、數(shù)值計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與交叉融合，將有望獲得更為全面、準(zhǔn)確、直觀的發(fā)熱分布評估結(jié)果，真正實(shí)現(xiàn)對此類設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱狀態(tài)的全面準(zhǔn)確掌握，進(jìn)而能夠在提高此類設(shè)備狀態(tài)檢修水平的同時(shí)，進(jìn)一步改善電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性。