基于多點分布式光纖光柵的GIS隔離開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)

高電壓與絕緣技術(shù)

基于多點分布式光纖光柵的GIS隔離開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)

陳 強(qiáng)1,3李慶民1,3叢浩熹2,3行晉源1,3李勁松1,3

（1. 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 2. 山東大學(xué)山東省特高壓輸變電技術(shù)與裝備重點實驗室 濟(jì)南 250061 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）

GIS設(shè)備導(dǎo)體觸頭溫升過高會引發(fā)重大事故，光纖光柵技術(shù)在電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測方面具有廣泛的應(yīng)用前景。針對光纖光柵溫度傳感器無法直接安裝在導(dǎo)體觸頭表面進(jìn)行溫度測量的難題，提出了一種基于測量多點外殼溫度及環(huán)境溫度，從而間接計算導(dǎo)體觸頭溫度的方法。建立了單相GIS隔離開關(guān)三維有限元計算模型，得到GIS內(nèi)部溫度分布規(guī)律，確定了多個光纖光柵溫度傳感器的最優(yōu)安裝位置。進(jìn)行GIS隔離開關(guān)溫升實驗，將實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，驗證了仿真計算模型的準(zhǔn)確性。最后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對環(huán)境溫度、外殼溫度和導(dǎo)體觸頭溫度進(jìn)行了曲線擬合，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比表明本方法具有較高準(zhǔn)確度。該在線測溫方法簡單有效，無需破壞現(xiàn)有GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)，具有較好的應(yīng)用前景。

GIS 觸頭溫度 多點分布式 光纖光柵 有限元模型 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

Keywords:GIS, contact temperature, multipoint-distributed, fiber bragg grating, finite element model, neural network algorithm

1 引言

近年來隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，氣體絕緣金屬封閉組合電器（Gas Insulated Switch-gear，GIS）因其開斷能力強(qiáng)、故障率低、安裝維護(hù)方便、占地空間小等優(yōu)點，在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而GIS設(shè)備具備上述優(yōu)點的同時，因其密封嚴(yán)、體積小、電流大等結(jié)構(gòu)與工況特點，也導(dǎo)致導(dǎo)體損耗發(fā)熱問題日益突出。尤其當(dāng)GIS導(dǎo)體觸頭接觸不良時，其接觸電阻變大，導(dǎo)體流過負(fù)載電流時產(chǎn)生的焦耳熱將引發(fā)觸頭過熱現(xiàn)象。觸頭過熱會導(dǎo)致GIS設(shè)備內(nèi)部局部溫度過高，引起絕緣老化甚至擊穿，進(jìn)而引發(fā)重大事故[1-2]。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[3]。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(yùn)行具有非常重要的意義。

目前，針對GIS設(shè)備觸頭過熱問題，運(yùn)行現(xiàn)場主要采用的預(yù)防措施有以下三種:人工觀察觸頭表面顏色[4]、定期測量回路電阻和使用紅外成像儀[5-6]對固定監(jiān)測點定期進(jìn)行溫度監(jiān)測。前兩種均需要停電檢修GIS設(shè)備，且測量回路電阻的方法無法獲知接觸不良部位的準(zhǔn)確位置，后者紅外成像技術(shù)的分辨率和精度都難以達(dá)到要求。此外，以上使用的監(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。行業(yè)內(nèi)目前主要采用紅外技術(shù)和光柵光纖技術(shù)兩種方法對電氣設(shè)備的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測。紅外測溫方法[7-9]能夠不擾動破壞GIS設(shè)備內(nèi)部的溫度場和熱平衡，也可以解決了高壓隔離和強(qiáng)磁場干擾的問題，但需要在GIS外殼開孔以安裝紅外溫度傳感器，且其測量準(zhǔn)確度受導(dǎo)體金屬表面發(fā)射率和SF6氣體濃度等因素影響非常大。光纖光柵技術(shù)[10-14]采用光波長作為監(jiān)測量，具有不受電磁干擾影響、絕緣性能好、體積小、重量輕等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于變壓器、電機(jī)、開關(guān)柜、架空輸電線路、電纜等電力設(shè)備，技術(shù)較為成熟。將光纖光柵溫度傳感器應(yīng)用于GIS導(dǎo)體觸頭溫度監(jiān)測中，可在不破壞GIS內(nèi)部電場及溫度場情況下，實現(xiàn)對其溫度的準(zhǔn)確測量，應(yīng)用前景十分廣泛。文獻(xiàn)[15-16]將光纖光柵溫度傳感器應(yīng)用于GIS母線溫度監(jiān)測中，并設(shè)計了相應(yīng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測母線溫度及其變化趨勢，但尚不能夠利用監(jiān)測結(jié)果獲得母線導(dǎo)體的確切溫度。

本文以實際單相GIS隔離開關(guān)為原型，建立三維溫度場仿真物理模型，計算得到了GIS隔離開關(guān)溫度場分布規(guī)律。基于仿真結(jié)果，確定了多個光纖光柵溫度傳感器的最優(yōu)安裝位置。進(jìn)行GIS隔離開關(guān)溫升實驗，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對環(huán)境溫度、多點外殼溫度和導(dǎo)體觸頭溫度進(jìn)行了曲線擬合。該方法能夠通過環(huán)境溫度和多點外殼溫度反推出GIS觸頭溫度，計算結(jié)果準(zhǔn)確度高，可有效解決光纖光柵溫度傳感器無法直接測量觸頭溫度的難題。

2 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵利用光纖材料的光敏性，在光纖纖芯通過紫外光曝光的方法形成空間相位光柵。當(dāng)寬帶光入射光纖光柵上時，光譜中滿足光纖布拉格光柵波長的光將發(fā)生反射，其余波長的光透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。當(dāng)光柵周圍溫度、應(yīng)力等外界條件改變時，光柵周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使光纖光柵的中心波長產(chǎn)生位移[17]。通過檢測光柵波長的位移即可獲得外界的變化，其原理如圖1所示。

圖1 光纖光柵傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of fiber bragg grating sensor

根據(jù)耦合模理論，光纖光柵的中心反射波長可表示為

式中 λB——布拉格波長；

neff——光纖傳播模式中的有效折射率；

Λ——光纖光柵周期。

光纖光柵溫度傳感器利用當(dāng)溫度改變時，熱膨脹和熱光效應(yīng)會引起折射率改變原理制成。光纖光柵的中心波長與溫度的關(guān)系為[18]

因此通過測定光柵的中心波長的改變量，即可計算出被測點的溫度值。

3 單相GIS隔離開關(guān)溫度場數(shù)值計算

3.1物理模型

本文以實際單相GIS隔離開關(guān)為原型，建立了三維溫度場仿真物理模型，模型基本結(jié)構(gòu)和主要尺寸參數(shù)如圖2和表1所示。外殼和屏蔽罩材料為鋁合金，導(dǎo)體材料為銅，腔體內(nèi)為0.4MPa的SF6氣體。

圖2 單相GIS隔離開關(guān)物理模型Fig.2 Physical model of the single-phase GIS disconnecting switch

表1 單相GIS隔離開關(guān)主要尺寸參數(shù)Tab.1 Main dimensions of the single-phase GIS disconnecting switch

為便于建模計算，本文的物理模型作以下簡化:①忽略內(nèi)部支撐絕緣子和外殼不同部位間連接螺栓等小部件對溫度分布的影響；②由于隔離開關(guān)上方操作機(jī)構(gòu)箱和底部支撐支架與腔體外殼接觸面較小，對GIS導(dǎo)體散熱影響不大，本模型將其簡化；③假設(shè)GIS觸頭處接觸均勻；④實際GIS隔離開關(guān)兩側(cè)通過盆式絕緣子與其它氣室隔離，盆式絕緣子的主要材料為環(huán)氧樹脂，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于金屬外殼，導(dǎo)體熱量基本上通過外殼向外散失，因此，本文模型假設(shè)隔離開關(guān)兩側(cè)與其他氣室間絕熱。

3.2數(shù)學(xué)模型

熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱方式共同存在于GIS隔離開關(guān)的熱量傳遞，其中固體域傳熱方式為熱傳導(dǎo)，而流體域傳熱主要以對流和輻射為主[19-21]。為了簡化計算，本文做以下假設(shè):①開關(guān)觸頭處金屬發(fā)熱均勻；②除密度外，內(nèi)部SF6氣體的物理特性保持恒定；③氣體模型為不可壓縮流體。

在三維溫度場求解中，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[22-23]。

3.2.1 固體域

導(dǎo)體、屏蔽罩和外殼的導(dǎo)熱微分方程為

3.2.2 流體域

GIS內(nèi)氣體的穩(wěn)態(tài)自然對流由下述方程控制。

質(zhì)量守恒方程為

動量守恒方程為

能量守恒方程為

式中 u，v，w——氣體沿x、y、z方向的速度分量；

ρ——氣體的密度；

g——重力加速度；

β——氣體熱膨脹系數(shù)；

Δt——冷熱面溫度差；

cq——氣體的比熱容；

λq——氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；

tq——氣體的溫度；

p——氣體壓力；

η——氣體運(yùn)動粘性系數(shù)。

3.2.3 邊界條件

對于GIS壁面，輻射和對流散熱同時存在，由于引入流體計算，GIS內(nèi)部導(dǎo)體表面和屏蔽罩表面的對流換熱自動迭代計算，因此只需添加輻射邊界。

導(dǎo)體外表面邊界條件為

屏蔽罩外表面邊界條件為

對于GIS外殼與外部空氣的換熱，由于本物理模型比較復(fù)雜，不便于添加空氣層，因此本模型引入第三類邊界條件，方程為

式中 λc，λs，λt——導(dǎo)體、屏蔽罩、外殼的熱導(dǎo)率；ε1，ε2——GIS內(nèi)部和GIS外殼外表面的等效發(fā)射率；

h——GIS外殼外壁和空氣間的對流換熱系數(shù)；

Tc，Tq，Ts，Tt，Ta——導(dǎo)體觸頭溫度、GIS內(nèi)部氣體溫度、屏蔽罩溫度、外殼溫度、外部環(huán)境溫度。

基于以上控制方程及邊界條件，輔以定解條件即可進(jìn)行迭代求解。由于本文關(guān)注溫度分布情況以及導(dǎo)體、外殼、環(huán)境三者溫度關(guān)系，因此采用的定解條件為導(dǎo)體溫度Tc和環(huán)境溫度Ta。

3.3溫度場計算結(jié)果分析

設(shè)定邊界條件為環(huán)境溫度27℃，導(dǎo)體溫度100℃進(jìn)行仿真計算，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時外殼溫度分布如圖3所示。由圖3可以看出，雖然外殼的金屬熱導(dǎo)率較高，但是在內(nèi)部氣體的自然對流作用下，外殼溫度分布呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，總體趨勢為上高下低。溫度最高點為38.2℃，出現(xiàn)在未被屏蔽罩覆蓋的導(dǎo)體正上方，觀察窗和底座部位溫度最低，約35℃。

圖3 外殼外表面溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution of the GIS shell

圖4 為GIS隔離開關(guān)內(nèi)部溫度分布圖。圖4a為觀察窗位置的橫向截面圖，從圖中我們可以看出GIS內(nèi)部氣體在熱浮力的作用下，對流效果顯著，導(dǎo)體正上方的氣體溫度較高，在導(dǎo)體與外殼頂部之間形成一條豎直溫度帶，上升氣流遇到頂部外殼的阻擋向兩側(cè)分流，導(dǎo)體左右兩側(cè)溫度基本對稱，溫度帶呈現(xiàn)水平分布，導(dǎo)體下方氣體溫度遠(yuǎn)低于導(dǎo)體上方，氣體流速緩慢。圖4b為沿著導(dǎo)體中軸方向的縱向截面圖，圖中顯示，在屏蔽罩的空隙部位對流效果最為明顯，導(dǎo)體的熱量主要從此處對流擴(kuò)散到GIS隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的腔體大空間，導(dǎo)致腔體內(nèi)左右兩側(cè)氣體溫度差的形成，最終形成逆時針環(huán)流。由此也可以得知，屏蔽罩在減小了電場的同時也阻礙了導(dǎo)體熱量的散失。

圖4 GIS內(nèi)部溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution inside GIS

為了進(jìn)一步揭示GIS溫度場分布規(guī)律，本文做了兩組仿真，分別計算了當(dāng)環(huán)境溫度為17℃和27℃時，外殼溫度隨導(dǎo)體溫度的變化情況。計算結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境溫度和導(dǎo)體溫度變化時，外殼溫度梯度規(guī)律變化不大，溫度最高點始終出現(xiàn)觀察窗位置導(dǎo)體正上方。然而，外殼溫度數(shù)值變化明顯，總體趨勢為外殼溫度隨導(dǎo)體溫度升高而升高，隨環(huán)境溫度升高而升高。不同環(huán)境溫度下，外殼溫度隨導(dǎo)體溫度變化曲線如圖5所示，圖中外殼溫度取的是外殼最高點的溫度。

圖5 外殼溫度與觸頭溫度關(guān)系曲線Fig.5 Temperature relation curve between the shell and contacts

由圖5所示的仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

（1）當(dāng)環(huán)境溫度一定時，外殼溫度隨著導(dǎo)體溫度升高而升高，溫升關(guān)系近似線性，導(dǎo)體每變化10℃，外殼溫度變化約1℃。

（2）環(huán)境溫度對外殼溫度影響較大，環(huán)境溫度的升高時，外殼—導(dǎo)體溫度關(guān)系曲線近似平行上移。

3.4光纖光柵溫度傳感器安裝位置選取

基于以上仿真計算結(jié)果可知當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，導(dǎo)體觸頭溫度、外殼溫度和環(huán)境溫度之間存在一定關(guān)系。基于上述對GIS溫度分布規(guī)律分析，可以確定最大溫度敏感部位并使光柵溫度傳感器感知最大溫度變化，傳感器安裝位置示意圖如圖6所示。其中傳感器A、B、D安裝在GIS外殼上，安裝位置選擇原則為距離觸頭位置最近，同時不同位置間具有一定溫度梯度，基于此原則及圖3所示外殼溫度分布情況，傳感器A安裝在觸頭正上方，傳感器B安裝在外殼側(cè)面45°位置，傳感器D安裝在觸頭正下方。傳感器C為測量導(dǎo)體觸頭溫度傳感器，安裝在觸頭和屏蔽罩之間，緊貼觸頭。傳感器E安裝在隔離開關(guān)下方1.5m處，用來測量環(huán)境溫度。

圖6 傳感器安裝位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the FBG sensors installation

4 實驗研究

4.1光纖光柵溫度傳感器標(biāo)定

由于封裝工藝的差別，即使同一批光纖制作的光纖光柵溫度敏感特性也略有不同。因此，用作傳感的光纖光柵溫度傳感器需要分別經(jīng)過高低溫標(biāo)定實驗才能確定各自的波長-溫度關(guān)系。本實驗所采用波長與溫度標(biāo)定方案如圖7所示。具體方法為，將傳感器置于高低溫試驗箱內(nèi)，調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度由-20℃升高至120℃再將至-20℃，每隔10℃記錄一次傳感器波長數(shù)據(jù)，如此重復(fù)3次后對各行程波長取平均值。采用上述標(biāo)定方法得到的傳感器A的波長-溫度曲線如圖8所示。其他四個傳感器除中心波長不同外，波長-溫度曲線規(guī)律與傳感器A十分相近，此處不一一列出。根據(jù)此波長溫度標(biāo)定實驗結(jié)果可知，在GIS溫升實驗的溫度范圍內(nèi)，傳感器的波長和溫度近似線性關(guān)系，因此實驗用的五個傳感器全部按照各自波長-溫度曲線進(jìn)行一次線性標(biāo)定。

圖7 光柵光纖溫度傳感器波長與溫度標(biāo)定實驗方案Fig.7 Experimental scheme of the wavelength and temperature calibration of FBG

圖8 光柵光纖溫度傳感器波長與溫度標(biāo)定曲線Fig.8 Calibration curves of the wavelength and temperature of FBG

4.2實驗平臺及實驗方案

建立的GIS觸頭測溫實驗平臺如圖9所示。該平臺主要由單相GIS設(shè)備、大電流發(fā)生器、光纖光柵解調(diào)儀和光纖光柵傳感器等組成。光纖光柵傳感器安裝位置如圖10所示，從左到右分別指代圖6中傳感器C、傳感器A和B、傳感器D、傳感器E的安裝位置。由于光纖光柵溫度傳感器測溫屬于接觸式測溫，為保證傳感器能準(zhǔn)確反映被測點溫度，需要消除傳感器與被測溫度點之間的微小空氣間隙，實驗中采用的方法為在接觸面涂敷導(dǎo)熱硅膠，保證溫度傳感器與被測物體的良好接觸。

圖9 GIS測溫實驗平臺Fig.9 The GIS temperature test platform

圖10 傳感器安裝位置圖Fig.10 Locations of the FBG sensors

此實驗在室內(nèi)進(jìn)行，避免了風(fēng)速及太陽輻射等干擾因素對實驗結(jié)果的影響。調(diào)節(jié)大電流發(fā)生器輸出電流的大小直至溫度示數(shù)穩(wěn)定，經(jīng)過大量實驗，獲得不同工況下GIS隔離開關(guān)觸頭溫度與多點外殼溫度及環(huán)境溫度的關(guān)系曲線。實驗中溫度示數(shù)穩(wěn)定的判據(jù)為，導(dǎo)體觸頭和外殼各點溫度變化曲線趨于水平，并且十分鐘內(nèi)導(dǎo)體觸頭溫度變化小于0.5℃，外殼各點溫度變化小于0.1℃。為保證實驗的全面性，此實驗在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行，觸頭溫度通過調(diào)節(jié)大電流發(fā)生器的輸出電流大小來改變。

4.3實驗結(jié)果分析

由實驗獲得的觸頭溫度、環(huán)境溫度和外殼溫度的擬合曲面如圖11所示。從圖11可以看出:

圖11 實驗結(jié)果擬合圖Fig.11 Fitting figure of the experimental results

（1）觸頭溫度、外殼溫度與環(huán)境溫度存在一定的關(guān)系。環(huán)境溫度一定時，外殼溫度隨觸頭溫度升高而升高；觸頭溫度一定時，外殼溫度隨環(huán)境溫度升高而升高。

（2）外殼不同點之間溫度差隨觸頭溫度升高而增大，環(huán)境溫度對外殼不同點溫差影響不大。

不同觸頭溫度和環(huán)境溫度下導(dǎo)體外殼溫度的實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對比Tab.2 Comparison of simulation results and the test samples

由表2可以看出，仿真與實驗結(jié)果基本吻合，外殼不同點的溫度梯度關(guān)系對應(yīng)較好，說明本文所采用仿真模型可以準(zhǔn)確計算隔離開關(guān)溫度分布情況。仿真結(jié)果和實測結(jié)果之間存在著一定的誤差，主要來源于以下幾方面:①實驗中GIS處于無限大空間中，而仿真中為簡化計算，設(shè)定GIS設(shè)備處于有限大的空間中；②仿真計算中，考慮到GIS內(nèi)部金屬經(jīng)過拋光處理，內(nèi)部等效發(fā)射率設(shè)置為0.05，而實際GIS運(yùn)行時各部分發(fā)射率可能發(fā)生變化；③仿真中對物理模型進(jìn)行了一定的簡化，操作機(jī)構(gòu)等被簡化掉的部件，在實際運(yùn)行中也具有一定散熱作用；④實驗誤差。由于實驗在室溫下進(jìn)行，環(huán)境溫度難免有少許波動，溫度分布難以達(dá)到100%穩(wěn)態(tài)。此外，實驗儀器及讀數(shù)也會帶來一定的誤差。

5 基于ANN算法的觸頭溫度映射關(guān)系

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）算法作為一種數(shù)據(jù)擬合和預(yù)測的方法，具有較強(qiáng)的非線性映射能力、泛化能力以及容錯能力[24-25]。它具有高度的自學(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，其中BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中研究最深入、應(yīng)用最為廣泛的一種模型[26-27]。本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于GIS導(dǎo)體觸頭溫度映射關(guān)系的計算中，建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖12所示。

圖12 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.12 The BP ANN model for temperature mapping

GIS導(dǎo)體觸頭溫度映射的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層組成。輸入變量為外殼三點的溫度及環(huán)境溫度，節(jié)點數(shù)為4；輸出變量為導(dǎo)體觸頭溫度，節(jié)點數(shù)1；隱層節(jié)點數(shù)決定著網(wǎng)絡(luò)性能，需要對檢驗樣本泛化能力的比較后確定。

本文利用MATLAB中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱設(shè)置BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隱層函數(shù)采用了tansig正切S形傳遞函數(shù)，輸出層采用purelin線性傳遞函數(shù)。將實驗所得130組數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取13組作為檢驗樣本，其余作為學(xué)習(xí)樣本。經(jīng)過訓(xùn)練和比較后得出，當(dāng)隱層節(jié)點數(shù)為25時，網(wǎng)絡(luò)引起的誤差最小。算法預(yù)測值與檢驗樣本的比較結(jié)果見表3。

由表3的結(jié)果對比可以看出，該BP網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)多點外殼溫度及環(huán)境溫度而對導(dǎo)體觸頭溫度做出準(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，但在誤差允許的范圍內(nèi)，預(yù)測準(zhǔn)確度極高。當(dāng)環(huán)境溫度在26℃和31℃附近時計算誤差較大，其主要原因在于本算法對學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)依賴較高，且此次實驗在夏季進(jìn)行，全天溫差較小，26℃和31℃邊緣環(huán)境溫度下的實驗數(shù)據(jù)匱乏所致。

表3 檢驗樣本與算法預(yù)測結(jié)果的比較Tab.3 Comparison of test samples and prediction results

6 結(jié)論

針對光纖光柵溫度傳感器無法直接測量導(dǎo)體觸頭溫度的難題，本文提出利用光纖光柵溫度傳感器測量環(huán)境溫度及多點外殼溫度，從而間接計算導(dǎo)體觸頭溫度的方法。建立了GIS隔離開關(guān)三維仿真模型，基于仿真結(jié)果，確定了光纖溫度傳感器的最優(yōu)安裝位置。進(jìn)行GIS溫升實驗，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性，并提出了利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過環(huán)境溫度及多點外殼溫度計算出導(dǎo)體觸頭溫度，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比表明本方法具有較高準(zhǔn)確度。該方法簡單有效，無需破壞現(xiàn)有GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)，具有較好的應(yīng)用前景。由于ANN算法對學(xué)習(xí)樣本依賴較強(qiáng)，在今后工作中，將進(jìn)一步積累更加全面的實驗數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)在更貼近現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境溫度下對導(dǎo)體觸頭溫度的準(zhǔn)確計算。

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On-Line Temperature Monitoring for GIS Disconnecting Switch Contacts Based on Multipoint-Distributed Fiber Bragg Grating

In the GIS equipment, if the temperature of the conductor contact is too high, it will lead to a major accident. The on-line temperature monitoring technology based on Fiber Bragg Grating has broad application prospects. For the situations that the FBG temperature sensor cannot be fixed on the surface of conductor contacts, a method to indirectly obtain the temperature of the contacts by directly measuring the multipoint shell temperature and the environmental temperature was proposed in this paper. The three-dimensional heat transfer model of the GIS disconnecting switch was established and the temperature distribution around the contact section was acquired. Based on the simulation results, the installation positions of the FBG temperature sensors were determined. Then experimental studies were taken to validate the accuracy of the simulation model. Finally, the neural network algorithm was used to deal with the experimental temperature data of contacts, multipoint shell and environment, and results showed a high accuracy. The method is simple and effective, without destroying the structure of the GIS equipment, which would have a good application prospect.

TM595; TN253

陳 強(qiáng) 男，1988年生，碩士研究生，主要從事高壓開關(guān)在線溫度監(jiān)測方面的研究工作。

國家高技術(shù)發(fā)展研究計劃(863計劃) 資助項目(2011AA05A121)，國家自然科學(xué)基金（51277061和51420105011）。

2014-09-20 改稿日期 2014-10-10

Chen Qiang1,3 Li Qingmin1,3 Cong Haoxi2,3 Xing Jinyuan1,3 Li Jinsong1,3

（1. Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Shandong Provincial Key Laboratory of UHV Transmission Technology and Equipment Shandong University Jinan 250061 China 3. State Key Lab of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China）

李慶民 男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新型高壓電器方面的科學(xué)研究工作。