熊 蘭，徐敏捷，楊子康，趙艷龍，焦 陽(yáng)

（1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)的迅速發(fā)展，城區(qū)配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓開(kāi)關(guān)柜投運(yùn)數(shù)量也相應(yīng)增加，其運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)的可靠性影響巨大。而開(kāi)關(guān)柜封閉性、成套化的特點(diǎn)增加了其熱故障發(fā)生的概率，這一問(wèn)題已經(jīng)引起了諸多學(xué)者的關(guān)注。目前對(duì)于開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱故障的研究集中于組件溫度的在線監(jiān)測(cè)，如文獻(xiàn)[1]提出了基于光纖光柵傳感器的隔離觸頭溫度測(cè)量方案，文獻(xiàn)[2]提出了基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的開(kāi)關(guān)柜溫濕度監(jiān)測(cè)方案。但以上研究中對(duì)于傳感器布點(diǎn)的有效性并沒(méi)有進(jìn)行考察，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否能夠全面地反映組件熱狀態(tài)也尚欠研究。縱觀目前的文獻(xiàn)報(bào)道，有學(xué)者開(kāi)始對(duì)開(kāi)關(guān)柜組件生熱、傳熱這一物理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、計(jì)算進(jìn)行研究[3-4]，例如文獻(xiàn)[5]對(duì) 27.5 kV GIS 母線室的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。但總體而言，相關(guān)的研究工作并不充分，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展以探究溫度分布特點(diǎn)，這將會(huì)提高在線監(jiān)測(cè)的有效性，并有助于開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)工藝的優(yōu)化。

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

基于以上現(xiàn)狀，本文以西門子NXAIR型開(kāi)關(guān)柜電纜室為研究對(duì)象，基于固體導(dǎo)熱微分方程、對(duì)流換熱方程、輻射換熱方程建立了傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射的耦合傳熱數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考察了內(nèi)部空氣流場(chǎng)對(duì)于散熱的影響。在此基礎(chǔ)上，本文研發(fā)了一套開(kāi)關(guān)柜電纜接頭的在線監(jiān)測(cè)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(wèn)題，且其本身具備精度高、響應(yīng)速度快、信號(hào)容易解調(diào)的特點(diǎn)，因而性能優(yōu)于接觸式測(cè)溫方案；相對(duì)于紅外熱像儀，將成像功能進(jìn)行了裁剪，使之能更好地適用于在線監(jiān)測(cè)，且成本僅為熱像儀的10%，更有利于推廣使用；搭建的上位機(jī)系統(tǒng)功能全面，能有效反映開(kāi)關(guān)柜溫度狀況。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中效果良好。

1 電纜室模型

重慶市某開(kāi)閉所內(nèi)使用的一臺(tái)NXAIR型高壓開(kāi)關(guān)柜曾出現(xiàn)電纜室過(guò)熱故障的問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查及查閱產(chǎn)品說(shuō)明手冊(cè)，得到柜體外形及尺寸的正視圖與側(cè)視圖如圖1所示，圖中尺寸單位為mm。

圖1 開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)Fig.1 Structure and size of switchgear

電纜室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)，其中，電纜的額定電流為2500 A。

圖2 電纜室內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，封裝有絕緣外殼，且兩者屬于二次設(shè)備，其有限的發(fā)熱量對(duì)于整體溫度場(chǎng)分布影響較小，可不作考慮?？焖俳拥亻_(kāi)關(guān)在通常情況下不投運(yùn)，故也進(jìn)行簡(jiǎn)化。因此，電纜室溫度場(chǎng)分析模型包含了殼體和作為一次設(shè)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(chǎng)分析模型Fig.3 Analysis model of cable room temperature field

2 溫度場(chǎng)數(shù)值模型

本文所面對(duì)的熱分析問(wèn)題可分為兩部分：一是焦耳熱在組件內(nèi)的固體熱傳導(dǎo)問(wèn)題；二是組件表面的熱輻射以及與柜內(nèi)空氣的對(duì)流換熱問(wèn)題。以上傳熱問(wèn)題在數(shù)學(xué)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(xiàng)；k為熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱微分方程，添加對(duì)流項(xiàng)形成式（3）后可描述熱對(duì)流過(guò)程[10-11]，而熱輻射的模擬通常采用形如式（2）的邊界條件進(jìn)行定義[12]。

由于生熱、傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射這一系列過(guò)程涉及多個(gè)物理場(chǎng)相互作用，且聯(lián)系較為緊密，使得表征上述過(guò)程的偏微分方程組具有較強(qiáng)的非線性。對(duì)于該類耦合場(chǎng)問(wèn)題，本文將采用有限元分析方法，借助商業(yè)軟件Comsol進(jìn)行求解。

3 計(jì)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(dǎo)電斑點(diǎn)[13]，使得電流通過(guò)時(shí)在斑點(diǎn)區(qū)域形成極大的電流密度，造成焦耳熱增加；加之在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)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(dǎo)電斑點(diǎn)，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(dǎo)電斑點(diǎn)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的接觸電阻值300 mΩ，設(shè)定微圓柱截面半徑為0.63 mm。以上分析過(guò)程中，均考慮了電導(dǎo)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(dǎo)率、初始電導(dǎo)率；α為熱敏系數(shù)。

在Comsol仿真流程樹的幾何節(jié)點(diǎn)下進(jìn)行組件幾何建模，過(guò)程如下。

a.由于三相組件結(jié)構(gòu)一致，僅建立單相模型，以節(jié)約系統(tǒng)開(kāi)銷。

b.在焦耳熱計(jì)算模塊下設(shè)定接頭處電勢(shì)為0.05V，連接排末端為參考零電位。

c.設(shè)定組件外表面的熱輻射（式（2））以及與周圍空氣的自然對(duì)流換熱（式（6））這2個(gè)邊界條件，并進(jìn)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(jìn)行全耦合計(jì)算，可得到不同時(shí)刻組件溫度場(chǎng)及電流密度分布，圖5為10 s時(shí)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(dǎo)致該部位此時(shí)溫度已升至312K，高出連接排18K，成為熱點(diǎn)區(qū)域。

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

3.2 空氣流場(chǎng)分析

焦耳熱形成的熱量會(huì)以輻射及對(duì)流2種方式向周圍傳播，兩過(guò)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(qū)動(dòng)下形成層流，這一過(guò)程由式（7）所示的Navier-Stokes方程描述，即動(dòng)量守恒方程；同時(shí)需滿足式（8）所示的質(zhì)量守恒方程[14]。

其中，p為壓強(qiáng)；μ為粘度；F為體積力。

為考察這一流場(chǎng)對(duì)組件散熱過(guò)程的影響，在3.1節(jié)的基礎(chǔ)上添加非等溫流計(jì)算模塊，將溫度場(chǎng)、流場(chǎng)兩者耦合，同樣利用自由四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，通過(guò)Comsol的全耦合計(jì)算功能對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行處理，得到流場(chǎng)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(dòng)方向，色圖反映了空氣流速大小的分布?？梢?jiàn)空氣流動(dòng)路徑較為集中，在熱點(diǎn)位置與冷端間進(jìn)行對(duì)流，并在冷端達(dá)到最大速度。雖然最大速度有一個(gè)量級(jí)的提升，但仍十分緩慢，對(duì)于散熱貢獻(xiàn)甚微。因而，對(duì)于沒(méi)有安裝散熱風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)柜而言，溫度監(jiān)測(cè)顯得十分必要。

圖6 空氣流場(chǎng)的時(shí)變情況Fig.6 Time-variation of air-flow field

4 紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)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(guò)熱故障的元件，本文對(duì)此研發(fā)一套基于紅外測(cè)溫的電纜終端接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)其過(guò)熱故障的在線監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)由前端紅外探頭、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、液晶顯示模塊、GSM模塊及上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.7 Overall structure of monitoring system

4.1 紅外測(cè)溫探頭

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

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

為同時(shí)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(biāo)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(guò)低不利于測(cè)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(hào)調(diào)理電路

由表1可知，紅外測(cè)溫探頭輸出較弱，無(wú)法直接進(jìn)行后續(xù)采樣工作，且三相探頭具有3路輸出，需進(jìn)行分時(shí)切換采樣。利用模擬開(kāi)關(guān)CD4051對(duì)3路信號(hào)進(jìn)行分時(shí)切換，CD4051納秒級(jí)開(kāi)斷速度使得信號(hào)采樣基本不會(huì)受到延時(shí)及串?dāng)_的影響。后續(xù)采用運(yùn)算放大器INA122對(duì)選通信號(hào)進(jìn)行放大，具有儀用運(yùn)放結(jié)構(gòu)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(hào)為C8051F021的單片機(jī)作為微處理器，用于對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)提供的電壓-溫度轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得到溫度值；再通過(guò)I/O接口與液晶顯示模塊通信，將溫度值進(jìn)行就地顯示；通過(guò)2個(gè)串口分別與GSM短消息模塊以及現(xiàn)場(chǎng)DTU柜通信，調(diào)用AT指令集可實(shí)現(xiàn)定時(shí)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)短信至目標(biāo)手機(jī)。該單片機(jī)新型的CIP-51內(nèi)核及流水線結(jié)構(gòu)使其指令周期大為縮短，處理能力優(yōu)越；混合信號(hào)系統(tǒng)的特點(diǎn)更使其具有豐富的片上資源，內(nèi)置AD達(dá)到12位精度，對(duì)于直流信號(hào)的采集有足夠準(zhǔn)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(chǎng)干擾較大，采用磁導(dǎo)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(shè)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(jī)系統(tǒng)

DTU柜利用電力專用信道向SCADA系統(tǒng)上傳實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，以構(gòu)建功能更為完善的上位機(jī)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)通過(guò)異步串口通信方式向DTU柜上傳實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)；搭載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的DTU柜按照104規(guī)約進(jìn)行遙信。遠(yuǎn)端監(jiān)控主機(jī)可通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)接收、趨勢(shì)曲線繪制以及報(bào)表儲(chǔ)存。監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)Labview平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用串口控件、顯示控件及ActiveX等控件實(shí)現(xiàn)上述功能。

5 運(yùn)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(kāi)閉所試運(yùn)行。在定期前往現(xiàn)場(chǎng)采用紅外點(diǎn)溫儀進(jìn)行離線檢測(cè)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)紅外探頭采樣以及單片機(jī)的信號(hào)調(diào)理均十分準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)液晶屏顯示的溫度值與點(diǎn)溫儀測(cè)量值偏差小于5%；與GSM模塊綁定的手機(jī)以及監(jiān)測(cè)站上位機(jī)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(shí)間段內(nèi)開(kāi)關(guān)柜運(yùn)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(fù)載以及環(huán)境溫度的變化，接頭日最高溫度會(huì)隨之波動(dòng)。為更好地反映開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行情況，上位機(jī)系統(tǒng)集成了溫度預(yù)測(cè)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(guò)組合預(yù)測(cè)算法得到4月16日、4月17日的預(yù)測(cè)值分別為25.63℃和25.81℃。4月16日、4月17日的實(shí)測(cè)值均為26.8℃，則預(yù)測(cè)精度分別為95.6%、96.3%，均達(dá)到了較高的預(yù)測(cè)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(jié)論

a.考察了NXAIR型開(kāi)關(guān)柜電纜室結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際尺寸參數(shù)以及運(yùn)行時(shí)的生熱情況，構(gòu)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(xué)理論構(gòu)建組件熱傳導(dǎo)、熱輻射以及周圍空氣對(duì)流換熱這3個(gè)物理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol對(duì)幾何模型進(jìn)行相應(yīng)邊界條件的加載并計(jì)算分析，得出組件熱點(diǎn)位置，確定溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

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

d.在溫度場(chǎng)數(shù)值分析的基礎(chǔ)上研發(fā)了開(kāi)關(guān)柜電纜室溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于紅外測(cè)溫原理，響應(yīng)速度快、精度高、可靠性強(qiáng)，其具備的功能為：實(shí)時(shí)獲取柜內(nèi)電纜接頭溫度值，并現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示；常態(tài)下每隔1 h將即時(shí)溫度值短信發(fā)送至目標(biāo)手機(jī)，若溫度越限則立即發(fā)送報(bào)警信息；上傳數(shù)據(jù)至現(xiàn)場(chǎng)DTU柜，再通過(guò)相關(guān)協(xié)議傳送至監(jiān)控室上位機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析管理。