陳茂忠 李志雄 朱 寶 李 曉

（1. 廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2. 武漢烽火富華電氣有限責(zé)任公司，武漢 430074）

開關(guān)柜內(nèi)電磁場(chǎng)分布的駐波特性研究及其應(yīng)用

陳茂忠1李志雄2朱 寶2李 曉2

（1. 廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2. 武漢烽火富華電氣有限責(zé)任公司，武漢 430074）

基于聲表面波溫度傳感器的無(wú)源無(wú)線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開關(guān)柜內(nèi)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)過(guò)熱故障隱患的早期預(yù)警，保障高壓開關(guān)設(shè)備的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。而傳感器的無(wú)源、無(wú)線的特性，要求發(fā)射天線與傳感器天線之間存在良好的電磁場(chǎng)分布以保證可靠的溫度信號(hào)采集。本文深入分析了開關(guān)柜內(nèi)電磁場(chǎng)分布的駐波特性，并對(duì)影響駐波特性的因素做了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，最后提出了它對(duì)基于聲表面波溫度傳感器的無(wú)源無(wú)線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程應(yīng)用的啟示。

SAW；高壓開關(guān)柜；駐波特性；HFSS仿真

高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要基礎(chǔ)設(shè)備，擔(dān)負(fù)著關(guān)合電力線路、保護(hù)系統(tǒng)安全的雙重功能。在其長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)電觸點(diǎn)的接觸特性直接影響開關(guān)柜工作的可靠性[1]。高壓開關(guān)柜由于環(huán)境振動(dòng)、觸頭燒蝕等原因，引起觸點(diǎn)溫度升高、氧化，可能導(dǎo)致觸頭局部熔焊、產(chǎn)生火花甚至放電，引發(fā)停電、火災(zāi)事故[2]。因此，電力企業(yè)迫切需要一種用于高壓開關(guān)柜觸點(diǎn)溫度原位置、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)的低成本儀器，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)過(guò)熱故障隱患的早期預(yù)警，確保高壓開關(guān)電器的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

高壓開關(guān)柜觸點(diǎn)溫度的測(cè)量，目前主要采用紅外輻射傳感器、石英晶體、光纖 Bragg光柵傳感器[3-4]和SAW溫度傳感器[5-6]；溫度信號(hào)的傳輸，主要采用電纜或光纖。

本研究使用基于 SAW 溫度傳感器的無(wú)源無(wú)線溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，主要有SAW溫度傳感器，采集終端，后臺(tái)軟件組成。為了獲得全封閉的高壓開關(guān)柜在不同狀態(tài)下的電磁場(chǎng)分布信息，掌握監(jiān)測(cè)儀器信號(hào)采集、傳輸?shù)墓ぷ鳝h(huán)境[7]本文以無(wú)源無(wú)線溫度傳感系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析驗(yàn)證了開關(guān)柜內(nèi)的不同狀態(tài)下電磁場(chǎng)的分布特性。

1 理論分析

下面是諧振腔內(nèi)電場(chǎng)振蕩分布的推導(dǎo)[8]：

如圖1所示，取金屬壁的內(nèi)表面分別為x=0和L1，y=0和 L2，z=0和 L3面。腔內(nèi)電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)任一直角分量都滿足亥姆霍茲方程。設(shè)u(x, y, z)為E或H的任一直角分量，有

圖 1

當(dāng)滿足關(guān)系式（7）和式（8）時(shí)，式（6）代表腔內(nèi)的一種諧振波模[10]，或稱為腔內(nèi)電磁場(chǎng)的一種本征振蕩。對(duì)每一組（m，n，p）值，有兩個(gè)獨(dú)立偏振波模。諧振頻率由式（4）和式（7），若m，n，p中有兩個(gè)為零，則場(chǎng)強(qiáng) E=0。若 L1≥L2≥L3則最低頻率的諧振波模為（1，1，0），其諧振頻率為

此波長(zhǎng)與諧振腔的線度同一數(shù)量級(jí)。在微波技術(shù)中通常用諧振腔的最低波模來(lái)產(chǎn)生特定頻率的電磁振蕩。在更高頻率情況下也用到諧振腔的一些較高波模。

由理論推導(dǎo)可知，對(duì)于密閉的金屬腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)駐波特性，即在腔體內(nèi)，不同位置的電磁場(chǎng)的幅值呈現(xiàn)交替變化，周期性的特點(diǎn)，而且這些特點(diǎn)僅由密閉腔體的長(zhǎng)寬高尺寸 L1、L2、L3決定；特別指出的是電磁分布的周期性的最大波長(zhǎng)由腔體L1、L2、L3中的兩個(gè)稍大值決定。

2 仿真模型的建立與邊界條件

2.1 仿真模型的建立

ABC三相銅制相線上端與電流互感器相連，下端與接地開關(guān)相連。測(cè)得公司KYN28型開關(guān)柜內(nèi)部的外形尺寸（包括斷路器室以下部分）寬度為800mm、深度為800mm、長(zhǎng)度為1200mm。依據(jù)尺寸建立仿真模型，并均勻設(shè)置了三相母排，母排寬度為100mm、厚度為5mm，如圖2所示。

圖2 開關(guān)柜內(nèi)電磁場(chǎng)仿真模型

為了簡(jiǎn)化高壓開關(guān)柜的三維電磁場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況作以下假設(shè)：

1）只考慮三相相線傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。

2）三相線上端接50Hz交流電壓，兩相間相位差2π/3，三相相線下端接地。

3）柜體電磁絕緣。

4）柜內(nèi)的空氣均勻、封閉。

5）材料各向同性。

電磁場(chǎng)仿真簡(jiǎn)化模型如圖2所示。三維電磁場(chǎng)仿真計(jì)算需要確定相線與空氣的邊界條件、空氣壁的邊界條件?？諝獗谑侵概c柜體接觸的空氣界面。

2.2 相線與空氣的邊界條件

媒質(zhì)l代表空氣，媒質(zhì) 2代表相線。在兩媒質(zhì)的界面上，邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[9]。

式（11）至式（14）表述了場(chǎng)的連續(xù)性邊界條件。式中的 n是垂直于界面的單位矢量，由媒質(zhì) 2（相線）指向媒質(zhì)1（空氣）。

2.3 空氣壁的邊界條件

由于假設(shè)柜體是電磁絕緣的，則空氣壁也是電磁絕緣的。

3 開關(guān)柜內(nèi)電場(chǎng)矢量分布

3.1 仿真結(jié)果

用 HFSS仿真系統(tǒng)按照以上的條件得到的仿真結(jié)果如下。

圖3 開關(guān)柜內(nèi)電場(chǎng)矢量分布

由仿真結(jié)果可以看出：

1）電磁場(chǎng)在母排上呈現(xiàn)周期性分布（駐波形態(tài)），電場(chǎng)幅度小的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)幅度大。

2）母排上，母排中心區(qū)域的電磁場(chǎng)幅度小，母排的邊沿，電磁場(chǎng)幅度大。

3）開關(guān)柜柜體表現(xiàn)出良好的屏蔽特性，電磁場(chǎng)幅度分布都極小。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本研究使用的是一款 TempTrackMFC測(cè)試軟件，它是無(wú)源無(wú)線在線溫度測(cè)試系統(tǒng)的一部分，主要負(fù)責(zé)將傳感器采集的溫度信息進(jìn)行數(shù)字化分析處理，實(shí)線監(jiān)控和查詢。它的界面如圖4所示。

圖4 TempTrackMFC測(cè)試軟件的界面

TempTrackMFC測(cè)試軟件的界面上可以讀出當(dāng)前的溫度值（T）和信號(hào)強(qiáng)度值（RX），開關(guān)柜內(nèi)、發(fā)射天線位置不變，探頭位置在母排上上下移動(dòng)，驗(yàn)證母排上電場(chǎng)強(qiáng)度呈周期性的大小變化，使用的是1號(hào)和5號(hào)探頭。

圖5 1號(hào)和5號(hào)探頭分別在母排的上下位置與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

探頭在母排的各個(gè)位置移動(dòng)，就可以間接的測(cè)出母排上各個(gè)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度和方向。由圖5可以看出，1號(hào)和 5號(hào)探頭隨著在母排上位置的改變，它們的信號(hào)強(qiáng)度都呈周期性強(qiáng)弱變化，表明母排上各個(gè)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度呈周期性的強(qiáng)弱變化，這個(gè)結(jié)論與圖3的仿真結(jié)論吻合。

4 發(fā)射天線和母排在開關(guān)柜內(nèi)相對(duì)位置的改變對(duì)電磁場(chǎng)分布影響

4.1 發(fā)射天線在開關(guān)柜內(nèi)壁四周的位置改變

發(fā)射天線采用我們現(xiàn)有的倒F天線，設(shè)計(jì)天線的發(fā)射頻率為433MHz，加載仿真。在基本結(jié)果中，我們考察了電磁場(chǎng)幅度及電磁場(chǎng)矢量方向圖，數(shù)據(jù)繁多。由于天線的增益G正比于E的平方，而且天線的極化方向與電場(chǎng)的方向一致[10]，為此在以下的仿真結(jié)果中，僅考慮電場(chǎng)矢量圖。

圖6 發(fā)射天線位于開關(guān)柜左側(cè)發(fā)射天線四個(gè)方向旋轉(zhuǎn)母排區(qū)域電場(chǎng)矢量分布圖

圖7 發(fā)射天線位于開關(guān)柜右側(cè)發(fā)射天線四個(gè)方向旋轉(zhuǎn)母排區(qū)域電場(chǎng)矢量分布圖

圖8 發(fā)射天線位于開關(guān)柜底部發(fā)射天線四個(gè)方向旋轉(zhuǎn)母排區(qū)域電場(chǎng)矢量分布圖

仿真的基本結(jié)論1：

1）電場(chǎng)矢量在母排區(qū)域呈周期性分布（駐波形式），而且這種駐波形式與天線的放置方式無(wú)關(guān)，即天線任意放置，在母排區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)區(qū)始終強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)，弱區(qū)始終強(qiáng)度相對(duì)弱。

2）發(fā)射天線放置方式改變會(huì)明顯改變母排區(qū)域電場(chǎng)的方向（天線的接收極性）。

3）發(fā)射天線放置方式改變會(huì)明顯改變母排區(qū)域電場(chǎng)分布的整體強(qiáng)度。

4.2 發(fā)射天線放置具體位置改變

圖9 發(fā)射天線位于開關(guān)柜左側(cè)放置具體位置改變時(shí)母排區(qū)域電場(chǎng)矢量分布圖

仿真的基本結(jié)論2：

發(fā)射天線放置位置改變會(huì)明顯改變母排區(qū)域電場(chǎng)分布的整體強(qiáng)度（但是不會(huì)改變電場(chǎng)強(qiáng)度的周期性特性）。

4.3 母排尺寸及在開關(guān)柜內(nèi)相對(duì)位置對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響

圖10 母排尺寸及在開關(guān)柜內(nèi)相對(duì)位置改變，母排區(qū)域電場(chǎng)矢量分布圖

仿真的基本結(jié)論3：

母排尺寸及母排位置的變更不會(huì)改變電場(chǎng)矢量在開關(guān)柜內(nèi)的強(qiáng)弱周期分布。具體來(lái)講，母排的尺寸及相對(duì)位置的改變會(huì)改變母排上的電場(chǎng)的整體強(qiáng)度的分布，不會(huì)改變開關(guān)柜內(nèi)不同位置的電場(chǎng)強(qiáng)度分布的周期性，即不會(huì)改變開關(guān)柜內(nèi)電磁場(chǎng)分布的駐波特性。

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于在本文 3.2中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 TempTrackMFC測(cè)試軟件與仿真結(jié)果的一致性，所以這里我們可以借用測(cè)試軟件做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。即：在開關(guān)柜內(nèi)、測(cè)溫探頭位置不變，發(fā)射天線在柜壁上下左右移動(dòng)，驗(yàn)證母排上，電場(chǎng)強(qiáng)度呈周期性的大小變化。我們?cè)陂_關(guān)柜內(nèi)對(duì)發(fā)射天線左右和上下布置，分別把1號(hào)和5號(hào)探頭固定在母排上，使用TempTrack MFC測(cè)試軟件得到了以下的數(shù)據(jù)，我們繪制成圖形如圖11所示。

圖11 開關(guān)柜內(nèi)天線在柜壁左右和上下移動(dòng)時(shí)，1號(hào)和5號(hào)探頭測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度曲線

實(shí)驗(yàn)表明：

1）發(fā)射天線在柜壁上下移動(dòng)，系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度在中間位置明顯呈現(xiàn)峰值的特點(diǎn)。

2）發(fā)射天線在柜壁上左右移動(dòng)，在柜壁的兩個(gè)側(cè)端面，明顯出現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與上面的仿真結(jié)論是相吻合的。

5 開關(guān)柜的本身尺寸對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響

由以上分析的種種結(jié)論可知，發(fā)射天線及母排的放置位置不會(huì)影響開關(guān)柜內(nèi)電磁場(chǎng)分布的駐波特性，可以推知開關(guān)柜的本身尺寸決定了開關(guān)柜內(nèi)的電磁場(chǎng)分布的駐波特點(diǎn)，與我們前面的理論分析相吻合。通過(guò)與前面相同的仿真條件，我們改變天線放置方向和母排安放方式，做了以下仿真實(shí)驗(yàn)。

圖12 開關(guān)柜內(nèi)尺寸改變對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響

由圖12可以看出，改變開關(guān)柜的尺寸可以改變電場(chǎng)矢量分布周期性分布的強(qiáng)弱位置，即改變駐波的分布特點(diǎn)。比較仿真結(jié)果和前面的理論分析，說(shuō)明兩者吻合很好。

6 結(jié)論

本文深入分析了開關(guān)柜內(nèi)電磁場(chǎng)分布的駐波特性，得出開關(guān)柜本身尺寸是影響內(nèi)部電磁場(chǎng)駐波特性分布的惟一因素的結(jié)論。本文首先從可能影響其駐波特性的其他兩個(gè)因素（開關(guān)柜內(nèi)天線的放置位置和母排的位置）方面建模仿真和軟件驗(yàn)證了它們不能改變開關(guān)柜內(nèi)電磁場(chǎng)分布的駐波特性，然后理論驗(yàn)證了影響其駐波特性的惟一因素：開關(guān)柜的尺寸大小。得到了以下結(jié)論：

1）電磁場(chǎng)強(qiáng)度在母排上上下不同位置呈現(xiàn)周期性強(qiáng)弱分布，即駐波特性分布。

2）發(fā)射天線位置和母排尺寸及母排在柜體的位置的改變會(huì)顯著影響柜體內(nèi)整體的電磁場(chǎng)幅值，如結(jié)論3所示，不會(huì)改變柜體內(nèi)的電磁場(chǎng)分布的強(qiáng)弱的具體位置。

3）電磁場(chǎng)在母排上的駐波特性只由柜體的長(zhǎng)、寬高尺寸相關(guān)，而與發(fā)射天線位置及母排的尺寸和母排在柜體的相對(duì)位置無(wú)關(guān)。

這些結(jié)論對(duì)工程安裝應(yīng)用的啟示：

1）首先確定了發(fā)射天線的安裝位置：發(fā)射天線位置正對(duì)母排駐波的波峰或者波谷的位置時(shí)，柜體內(nèi)的整體信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)最好。

2）開關(guān)柜柜體尺寸及測(cè)溫探頭在柜體的具體位置基本決定探頭的能接受信號(hào)能力，在發(fā)射天線位置固定后，如果可能，可以移動(dòng)探頭位置，改善信號(hào)強(qiáng)度。

3）探頭安裝在母排側(cè)邊上更好。

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Stationary Wave Characteristic Research and Application of the Electromagnetic Field Distribution in the Switch Cabinet

Chen Maozhong1 Li Zhixiong2 Zhu Bao2 Li Xiao2
(1. Huizhou Power Supply Bureau, Guangdong grid company, Huizhou, Guangdong 516001;2. Wuhan Fiberhome Fuhua Electric Co., Ltd, Wuhan 430074)

The application of passive wireless temperature measurement system in the switch cabinet, enough to achieve early warning of hidden faults because of the overheating contacts，which can ensure the long-term and reliable operation of the high voltage electrical switch devices. The characteristics of the passive wireless sensor, requires good distribution of the electromagnetic field between the transmitting antenna and the sensor antenna in order to guarantee a reliable temperature signal acquisition.Based on the passive wireless temperature sensing system for the applicable premise,the paper deeply analysis the standing waves characteristics of the electromagnetic field distribution in the switch cabinet, and simulating and experimental verificating the factors which may affect stationary wave characteristic, meanwhile, proposing its engineering applications.

SAW; high voltage switchgear; stationary wave characteristic; hfss simulation

陳茂忠（1974-），男，廣東潮陽(yáng)人，廣東電網(wǎng)公司惠州供電局電力調(diào)度控制中心通信檢修主管，工程師。主要從事電力通信工作。