基于數(shù)字孿生的配電開關柜溫度傳感器數(shù)據(jù)可靠性研究

王瑞果，丁 健，王穎舒，劉 波，張 杰，梅家葆，李江濤

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550000；2.電力設備電氣絕緣國家重點實驗室(西安交通大學)，陜西 西安 710049)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對配電網(wǎng)的供電可靠性的要求日益提高，需要通過多種安全措施保障配電網(wǎng)運行安全。配電開關柜作為配電網(wǎng)中控制、保護的重要電力設備，其運行狀態(tài)關系到整個電網(wǎng)的安全運行[1]。當開關柜內(nèi)部出現(xiàn)接觸不良或氧化老化，可能使開關柜內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度過高，引起開關柜整體溫度過限，嚴重情況下會導致爆炸[2]。因此，溫度狀態(tài)作為反應開關柜的運行狀態(tài)的關鍵測量，需要通過在線溫度監(jiān)測對開關柜內(nèi)進行實時監(jiān)測。通過開關柜的實時溫度監(jiān)測，實現(xiàn)開關柜內(nèi)部溫度異常預警，確保電網(wǎng)的安全可靠運行[3]。

溫度狀態(tài)監(jiān)測的可靠性需要依靠溫度傳感器的性能以及安裝布置的合理性。溫度傳感器性能影響因素主要包括測量方法、測量精度、測量范圍以及壽命老化等。安裝布置合理性主要考慮應用環(huán)境、安裝方式、布置測量等因素[4]。依據(jù)溫度傳感器測溫方法分類，應用較廣的比較成熟的配電開關柜的溫度監(jiān)測方式有:示溫蠟片、光纖測溫方法、紅外測溫方法、數(shù)字式測溫方法等幾種測溫方法[5]。數(shù)字式測溫方式中，射頻識別測溫方法通過射頻識別和溫度傳感結合的方式，有效識別對應測點溫度，無線傳輸方式不限制傳感器布置位置，兼顧元件性能和布置位置，符合傳感器無源化、無線化、智能化的發(fā)展趨勢，本文針對數(shù)字式射頻識別溫度傳感器的數(shù)據(jù)可靠性進行相關研究。

圖1 傳統(tǒng)溫度傳感器的布置和封裝Fig.1 Layout and encapsulation of conventional temperature sensors

傳統(tǒng)的布置方法往往根據(jù)經(jīng)驗進行布置，傳感器的安裝隨機性較大，難以適應日益提高的數(shù)據(jù)可靠性要求，如圖1。國內(nèi)外學者對于安裝布置合理性的研究主要通過實驗結合仿真的方式開展，通過建立仿真模型，對電氣設備的溫度場和狀態(tài)傳感設備的數(shù)據(jù)可靠性及影響因素進行了一系列的研究。文獻[6]通過仿真研究了220kV GIS的溫度分布特征，給出了導體溫度與外殼溫度的數(shù)值關系。在文獻[7]中，研究了開關柜進氣速度、通氣孔數(shù)量及其位置對開關柜溫度場分布的影響。對高壓開關柜溫升進行了模型分析，并提出了降低溫升的措施。文獻[8]提出了一種簡化模型的溫度監(jiān)測方法，實現(xiàn)了溫度報警功能，避免了過熱引起的事故。文獻[9]探討了開關柜環(huán)形彈簧接觸力的建模方法，為高壓開關設備的溫度傳感器設計和設備布置提供了依據(jù)?；谀壳半娏I(yè)數(shù)字孿生的發(fā)展，精細化數(shù)字模型的建立對于開關柜溫度監(jiān)測有著重要的作用，本文針對10kV開關柜建立精細化數(shù)字模型，并進行對應溫度場分布研究。

考慮到溫度傳感器的傳統(tǒng)布置和封裝方式導致溫度傳感器測量精度下降，本文通過建立應用于數(shù)字孿生的開關柜精細化數(shù)字模型，對溫度場的仿真得到開關柜內(nèi)溫度場的分布情況，提出了溫度傳感器的總體安裝布置方案。研究傳感器不同封裝方式下，熱傳導和熱對流對數(shù)據(jù)可靠性的不同影響。對傳感器封裝方法進行了仿真研究，得到優(yōu)于傳統(tǒng)方法的改良傳感器封裝模型。

1 基于數(shù)字孿生的開關柜熱電耦合模型

1.1 電力設備數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建

電力設備數(shù)字孿生整體架構服務于電力設備的全生命周期的每個環(huán)節(jié)，能夠為電力設備的安全可靠數(shù)字化運行提供完整的架構支撐。數(shù)字孿生的技術架構分為四個層次:物理層、通信層、虛擬層和應用層[10]。

物理層是指電力裝備的全生命周期過程中的不同方面的所有要素的集合，涉及人員、機械、物料、規(guī)則、環(huán)境等全方位要素，主要功能為狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，是電力設備數(shù)字孿生的基礎。多種參量的傳感技術是電力設備數(shù)字孿生的物理層的應用基礎[11]。

通信層是指橋聯(lián)物理層和虛擬層的數(shù)據(jù)服務。物理層采集的數(shù)據(jù)和虛擬層的控制指令，通過通信層進行數(shù)據(jù)傳輸、指令發(fā)送和遠程控制。專用于電力系統(tǒng)的通信方式、無線自組網(wǎng)信號傳輸和5G技術為電力裝備的多源異構信息流提供可靠多變的數(shù)據(jù)傳輸[12]。

虛擬層是電力設備在信息空間的虛擬映射，是數(shù)字孿生體的所有數(shù)據(jù)的集合。虛擬層功能為模型建立、仿真計算、數(shù)據(jù)處理和智能分析[13]。虛擬層的功能基于精細化模型的建立，虛擬層需要大量模型的建立以完善電力設備全生命周期的模型數(shù)據(jù)庫，以此達到電力設備的全數(shù)字化管理的最終目的。

應用層是對前三層的結合應用，在數(shù)字孿生建模仿真的基礎上，上層建立不同的應用模塊，為多種功能多種方向提供針對性服務，應用層提供的服務可以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的各項需求[14]。

根據(jù)數(shù)字孿生四層結構理論，基于無源無線的溫度傳感技術可以滿足應用層對于設備全生命周期溫度監(jiān)測的目的，通過無線自組網(wǎng)的RFID技術可以實現(xiàn)無線自組網(wǎng)的數(shù)據(jù)上下行傳輸和指令控制的遠距離發(fā)送，精細化模型的建立作為數(shù)據(jù)孿生模型庫的基礎有著重要的意義[15]。基于四層理論，為提高數(shù)字孿生四層結構下的溫度監(jiān)測的數(shù)據(jù)可靠性，需要建立配電開關柜的精細化模型和提高傳感器終端物理層精確度，為電力系統(tǒng)數(shù)字孿生提供可靠有效的全生命周期管理。

1.2 開關柜虛擬層溫度場仿真原理

在數(shù)字孿生四層結構中，物理層的感知和虛擬層的模型，是決定數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建的關鍵。虛擬層的數(shù)字孿生體的模型搭建及計算是數(shù)字孿生的內(nèi)在核心[16]，其中，開關柜溫度場主要由接觸電阻和熱傳導兩個因素共同決定。

開關柜的溫升與電路電阻的大小密切相關，而接觸電阻是電路中發(fā)熱電阻的主要組成部分，因此接觸電阻的大小是決定開關柜溫升狀態(tài)的重要因素。為了建立合理的開關柜數(shù)字孿生體，需要將接觸電阻在模型中進行具體計算和仿真。開關柜各部位接觸電阻分為收縮電阻和膜電阻[17]。其中，收縮電阻是接觸面上接觸點電流線收縮的等效性能，是反映電流路徑增大和有效導電面積減小的一種附加電阻。膜電阻是接觸面所覆蓋的表面膜的附加電阻，在工程研究中，接觸點數(shù)和平均半徑的測量困難且準確度較低，通常采用經(jīng)驗公式進行計算等效。

式中R為接觸電阻，F(xiàn)為接觸壓力，m為與接觸形式、壓力范圍和接觸點數(shù)有關的指標，kj為與接觸材料和表面條件有關的系數(shù)。

根據(jù)傅里葉定律，熱傳導反映不同物體和系統(tǒng)內(nèi)部溫度差的傳導作用，單位時間的熱傳導與溫度梯度和垂直于熱流方向的截面積成正比[18]。根據(jù)開關柜各部分的結構，通過溫度傳感器的導熱系數(shù)和導熱面積，計算得出開關柜導熱過程的溫度場分布。

其中Q為換熱速率，A為垂直于表面積熱流方向的導熱面積，為相鄰等溫面溫差與法向相距離之比，λ為導熱系數(shù)。導熱系數(shù)反映了材料的傳熱能力，定義為單位時間內(nèi)單位溫度梯度通過單位導熱面?zhèn)鬟f的熱量。影響導熱系數(shù)的主要因素是材料的結構[19]。

1.3 開關柜孿生體模型搭建

在數(shù)字孿生虛擬層中，建立KYN 28配電開關柜的高精度精細化模型。在細化模型的基礎上，將電磁、傳熱和對流耦合多物理場應用到模型中，研究多物理場下配電開關設備的溫度分布。

圖2 高精度開關柜數(shù)字孿生體Fig.2 Digital twin of high precision switchgear

在仿真計算過程中，物理模型的精細度會影響網(wǎng)格的分裂效果和計算代價的結果。為了提高求解計算的收斂程度，有必要根據(jù)實際工程經(jīng)驗和對溫度分布結果的影響程度，對模型進行合理簡化[20]。本文旨在通過仿真研究配電開關柜的整體溫度分布，指導傳感器在開關柜中的布置。對無影響或影響較小的絕緣元件和開關設備結構進行了簡化，對母線和觸點的結構進行了合理的等效簡化。簡化后的開關柜模型如圖3所示。

圖3 低壓開關設備仿真模型Fig.3 Simulation model of low voltage switchgear

根據(jù)實際測量計算，真空滅弧室斷路器的接觸電阻、電流互感器的接觸電阻、梅花觸頭和靜態(tài)觸點的接觸電阻分別設置為5μΩ、3μΩ和10μΩ。開關柜各相電路的總接觸電阻為28μΩ。

RFID溫度傳感器由絕緣硅橡膠封裝和陶瓷封裝金屬基銅復合板組成。在換熱對流過程中，傳感器的整體溫度分布主要由絕緣硅橡膠的導熱系數(shù)決定。在仿真計算過程中，傳感器的總導熱系數(shù)為0.27W/(m·K)。

2 開關柜數(shù)字孿生體應用層功能實現(xiàn)

2.1 開關柜孿生體溫度場仿真

建立開關柜的數(shù)字孿生體基礎上，在孿生體中加入熱電耦合激勵，對開關柜內(nèi)部溫度場進行仿真。從計算結果進行分析，圖4為1000A負荷電流30℃環(huán)境溫度工況下的開關柜溫度場分布情況。

圖4 低壓開關柜溫度分布Fig.4 Temperature distribution of low voltage switchgear

根據(jù)開關柜溫度場仿真結果，真空滅弧室最高溫度為51.14℃，沿電流傳輸方向逐漸降低，在梅花觸頭位置再次上升至48℃(321K)。同時母線和電流互感器的溫度為高溫點，分別為45℃(318K)和46℃(319K)。開關柜的溫度場分為三個熱點:梅花觸頭、母線和電流互感器，其中梅花觸頭是可測溫度最高的位置。配電開關柜溫度分布規(guī)律可總結如下:上柜室溫度整體大于下柜室溫度，中間回路溫度整體大于兩側回路溫度。由于柜體內(nèi)部沒有強制散熱措施，空氣受熱密度變小，向上自然流動，熱量明顯集中于上柜內(nèi)，因此孿生體仿真得到的結果符合實際情況。

2.2 開關柜孿生體多工況溫度場仿真

開關柜的影響因素根據(jù)分析，主要影響因素為接觸電阻和熱傳導，對開關柜孿生體進行接觸電阻控制變量，進行異常狀態(tài)的多工況溫度場仿真。

當上方或下方梅花觸頭整體接觸狀態(tài)異常時，即在仿真分別設置上下方梅花觸頭處接觸電阻為正常狀態(tài)10倍，開關柜導電回路溫度分布如圖5所示。當上方梅花觸頭整體接觸狀態(tài)異常時，上方梅花觸頭溫度依次為，A相114.6℃；B相115.2℃；C相114.8℃。相比于正常狀態(tài)依次增加了238.8%，240%，239.2%。上方母線溫升明顯增加，下方梅花觸頭溫度也有一定幅度增加，增加約35%，如圖6。下方梅花觸頭接觸狀態(tài)異常時，從圖中可以明顯看出上下方梅花觸頭和母線溫升均有較大幅度增加。

圖5 上梅花觸頭接觸狀態(tài)異常溫度場Fig.5 abnormal temperature field of plum contact under contact state

圖6 下梅花觸頭接觸狀態(tài)異常溫度場Fig.6 Abnormal temperature field of plum contact under contact state

真空斷路器分合觸頭在分合中有一定的機械磨損。在仿真中增加分合觸頭處接觸電阻模擬接觸狀態(tài)異常。將三相分合觸頭接觸電阻增大10倍，得到的溫度分布情況如圖7所示。當分合觸頭處接觸電阻變大，分合觸頭溫升增加，分合觸頭兩側梅花觸頭以及母線溫度均有所抬升。對于接觸電阻變?yōu)檎＝佑|的十倍運行條件下，六個動靜觸頭溫度分別提高為:A相上觸頭105℃、B相上觸頭108℃、C相上觸頭103℃、A相下觸頭87℃、B相下觸頭93℃、C相下觸頭88℃。

圖7 分合觸頭接觸狀態(tài)異常溫度場Fig.7 Abnormal temperature field in contact state of split and close contacts

3 開關柜傳感器數(shù)據(jù)可靠性研究

3.1 數(shù)據(jù)可靠性原理

開關柜傳感器數(shù)據(jù)可靠性主要通過本體封裝和溫度分布代表性來表征，其中溫度分布代表性由開關柜溫度孿生體的應用可以得到，通過對熱電耦合的開關柜孿生體模型進行計算和仿真，可以得到對應的溫度熱點代表位置:開關柜梅花觸頭位置。對于本體封裝的設計，通過對傳感器封裝結構設計和仿真進行數(shù)據(jù)可靠性的研究[21-26]。

3.2 傳感器封裝仿真

圖8為傳統(tǒng)封裝溫度傳感器的溫度分布，在傳統(tǒng)封裝方法下，溫度傳感器與梅花觸頭之間的接觸面積較小，導致傳熱面積減小，影響溫度傳感器測溫精度。在梅花觸頭48℃(321K)的情況下，采用常規(guī)封裝法測得最高溫度傳感器為46.6℃(319.6K)，溫度傳感器與接觸溫度的最小溫差為1.4℃。封裝方式影響溫度傳感器的可靠性和準確性。

圖8 未改進封裝RFID溫度傳感器的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the unmodified encapsulation RFID temperature sensor

圖9為與梅花觸頭高度貼合的改性封裝溫度傳感器的溫度分布。改進了傳統(tǒng)的封裝方法，擴大了溫度傳感器與梅花觸頭之間的接觸面積，增加了傳熱面積，改善了溫度傳感器的整體溫度分布。在梅花觸頭48℃(321K)的條件下，改進的傳感器封裝溫度傳感器測得的溫度為47.8℃(320.8K)，與接點溫度的最小溫差為0.2℃，是傳統(tǒng)封裝溫度的1/7，提高了溫度傳感器的可靠性和準確性。

圖9 改進封裝RFID溫度傳感器的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of the modified encapsulation RFID temperature sensor

在分析不同封裝方式溫度傳感器的可靠性和準確性的基礎上，研究了不同封裝方式溫度傳感器的溫度分布和溫度梯度，并分別進行了徑向和周向分析。圖10為不同傳感器封裝件的徑向溫度分布和溫度梯度，圖11為不同傳感器封裝件的周向溫度分布和溫度梯度。

表1 傳感器不同封裝設計徑向溫度分布Tab.1 Radial temperature distribution of sensors in different encapsulation designs

在徑向溫度分布上，改進后的溫度傳感器整體溫度分布高于傳統(tǒng)封裝的溫度傳感器，如圖10?？紤]到溫度傳感器芯片沿徑向排列位置與接觸面有一定距離，改進后的溫度傳感器在1cm處的溫度為45.4℃，比傳統(tǒng)封裝的45.2℃高0.2℃，具體數(shù)據(jù)如表1。兩種封裝方式的溫度差隨著徑向逐漸接近，因此沿徑向布置的傳感器芯片離接觸面越近，測溫精度和可靠性就越高。

圖10 傳感器封裝設計徑向溫度分布比較Fig.10 Comparison of radial temperature distribution in sensor encapsulation design

在周向溫度分布中，改進后的溫度傳感器的溫度分布均勻性與實際溫度之間的差異減小，如圖11。由于溫度傳感器封裝的齒狀結構增加了接觸面積，傳感器中間位置的溫度降低量增加到45.2℃，比常規(guī)封裝方法的43.5℃高出1.7℃，具體數(shù)據(jù)如表2。整體溫度分布較為平滑，不會出現(xiàn)導致傳感器加速老化的較大溫差。改進后減少了傳感器的損耗，提高了傳感器的使用壽命。

圖11 傳感器封裝設計的周向溫度分布比較Fig.11 Comparison of circumferential temperature distribution in sensor encapsulation design

表2 傳感器不同封裝設計周向溫度分布Tab.2 Circumferential temperature distribution of sensors with different encapsulation designs

4 結論

本文搭建了配電開關柜的數(shù)字孿生體系統(tǒng)，對數(shù)字孿生體的物理層、虛擬層和應用層進行設計，對不同傳感器封裝設計進行了仿真。主要結論如下:

(1)在KYN-28配電開關柜中，過熱點的分布主要集中在梅花觸頭、母線和電流互感器中。其中，梅花觸頭的溫度是三者中最高的，最能反映開關柜的溫度狀態(tài)。在布置溫度傳感器時，應優(yōu)先考慮開關柜梅花觸頭的位置。

(2)根據(jù)傳感器的溫度分布模擬，發(fā)現(xiàn)傳感器在徑向和周向有較大的溫度降低。溫度的降低會導致傳感器數(shù)據(jù)可靠性和測量精度的降低，不能反映開關柜的真實溫度情況。降低導致溫度監(jiān)測失效。

(3)通過改進傳統(tǒng)溫度傳感器的封裝，提出了一種新的溫度傳感器封裝方法，提高了溫度傳感器的測量精度和數(shù)據(jù)可靠性，提高了傳感器的靈敏度和使用壽命。通過仿真和分析，證明了這種傳感器封裝可以有效避免溫度降低和溫度分布不均勻導致的傳感器老化問題。