封閉高壓開關設備發熱的監測與評估方法綜述

范鎮南，孔祥熙，張德威，李景燦，黃 銳

（1.西華大學電氣與電子信息學院，四川 成都 610039；2.國家電網四川省電力公司技能培訓中心（國網技術學院成都分院），四川 成都 610072；3.重慶大學電氣工程學院輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400030；4.西藏云康智能科技有限公司，西藏 拉薩 850000）

作為電力系統中接通和斷開回路、切除和隔離故障的重要保護與控制裝置，封閉高壓開關設備的健康狀況，直接影響著電力系統運行的安全穩定。由于該類設備密閉性好，體積有限，所以其溫升發熱問題逐漸突出，發生過熱故障的可能性也隨之增加。

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

為提高封閉開關設備狀態檢修水平，避免過熱故障的發生，必須采取更為有效的發熱評估方法和研判標準。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文獻的基礎上，從現場測量與仿真分析2 方面，闡述了封閉開關設備發熱檢測評估方法發展現狀，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備發熱檢測評估中的應用，在此基礎上，分析探討了此類設備內部發熱監測與評估技術的發展前景。

1 應用多光譜觀測窗測溫

1.1 常規測溫方法及其局限性

全面準確的測溫數據，是優化發熱故障研判的依據，是制定對應監測及診斷策略的關鍵保障。然而其內部的大電壓、強電流、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、熱電阻及半導體溫度傳感器的測溫精度亦不盡人意。近年來開始應用的光纖式溫度在線監測儀，雖然可以連續準確地監測高壓開關柜內接點的運行溫度，但是存在安裝維護要求高、感溫面老化脫落影響測溫采樣等問題，并且是散點測溫；因此，難以獲得設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備的溫度。對于封閉高壓開關設備而言，由于紅外線無法直接穿透其外殼，其內部紅外測溫工作，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，能夠同時透過紅外線與可見光，因此將其安裝在封閉開關柜的柜門上，利用紅外測溫儀，即可對柜內設備進行大面積、大范圍的溫度等物理量的實時監測。

該測溫窗口主要由金屬外框、光學晶體與金屬蓋板3 部分組成，其結構及安裝如圖1 所示。

圖1 多光譜觀測窗結構與安裝示意圖

其中，核心設備是光學晶體，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，固定在開關柜外殼（柜門）上。為保護光學晶體，在金屬外框上，通常還裝有金屬蓋板。窗口內徑通常有3 種尺寸：50、75 和100 mm。內徑尺寸越大，檢測范圍越大。

光學晶體是多光譜觀測窗監測溫度的關鍵，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、常溫下設備的發熱情況。在電力行業，該波段基本上能滿足現有電力設備的故障檢測要求。將觀測窗安裝于高壓開關柜外殼的適當位置，不僅能作為普通的觀測窗檢視柜內設備情況，而且在與紅外熱成像儀配合的情況下，可方便地實現柜內設備的紅外發熱在線監測。當進行溫度測試時，只需將紅外熱成像儀靠近并對準觀測窗光學晶體，即可借助紅外熱成像設備，獲知柜內被測區域的整體溫度情況，相關原理如圖2 所示。在實際測溫時，通過適當調整紅外成像儀的角度，可以擴展測量視野和范圍，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場實測

為驗證此類觀測窗在柜內設備溫度監測中的效果，進行了專門的測溫現場試驗。在試驗中，測溫窗口的防護等級高達IP65，明顯高于開關柜的防護等級，妥善保證了測試的安全性。另外，由于試驗是以測試柜內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備處，現場試驗照片如圖3 所示。

圖3 通過多光譜觀測窗對柜內設備進行紅外測溫

該試驗表明，多光譜觀測窗與紅外熱成像儀相結合，可以在不干擾設備運行的前提下，得到相對全面合理的設備內部溫度分布數據。

2 應用仿真分析方法評估

對封閉高壓開關設備損耗與溫度分布的準確求解，是進一步研究其發熱問題熱成像診斷的理論基礎。特別是對于使用SF6氣體絕緣的GIS 設備，由于內部壓強較大，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合的方法，探測其內部溫度。在此情況下，使用仿真分析的方法，評估其內部構件的損耗發熱情況，就顯得尤為必要。

2.1 傳統仿真分析方法應用與局限

封閉高壓開關設備內部的損耗發熱，是電磁場、流速場、溫度場等多種物理場綜合作用的結果。如果在建模分析中不能全面準確考慮上述物理場之間的影響作用，是難以獲得準確合理的結果的。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、便于工程應用；但由于難以滿足上述要求，以致其分析結果的全面性、準確性與合理性，皆尚有較大提升空間[13-17]。近年來，有限元等數值分析方法開始應用于此類設備的損耗發熱研究，能夠更為準確地求解其內部的損耗（熱源），但在相關發熱求解方面，如果不能從流速場-溫度場耦合的角度開展分析，仍然難以把握設備內部的通風散熱狀態，進而難以在溫度計算準確性與合理性上取得實質性的提升[18-21]。

2.2 電磁場-流速場-溫度場耦合分析計算方法的應用

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備的損耗發熱分析。該方法具有2 大優點。

1）把流速場-溫度場耦合分析直接應用于散熱與溫度計算。以2 維情況為例，該方法通常使用守恒方程，來描述封閉設備內部空間及外部環境中的氣體穩態自然對流情況[22-23]。

質量守恒方程為

動量守恒方程為

式中：ρ為氣體密度；P為氣體壓力，η為氣體運動黏性系數；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；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態流動散熱情況。將上述方程與熱傳導方程、對流及輻射散熱邊界條件聯立，即可構成流速場-溫度場計算邊值問題模型，進行數值求解后，可得到較為全面合理的設備溫度分布情況與氣體流動散熱情況。

2）從數學和物理理論角度，更為全面準確地描述柜內設備的電磁場、流速場、溫度場等物理場計算參數之間的相互影響關系[22-23]。通過從熱源、散熱、溫升等多個角度的分析，可全面準確揭示設備運行中電磁、通風、發熱等物理量的形成和演進趨勢，進而為此類設備的運維檢修，提供更為全面、準確、適用的數據支持。以GIS 母線為例，應用此類方法解出的溫度與散熱狀態數據，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

針對封閉高壓開關設備內部溫度狀態的監測與評估工作，目前盡管已經取得了部分進展，但其總體成效仍然不盡人意，且近年來，也少有相關成果見于公開報道。其主要原因，在于以下2 點。

1）在溫度現場監測方面，仍然缺乏令人滿意的技術及相關設備。在電力系統中，封閉高壓開關設備數量極為巨大，這使得對其內部溫度的監測工作，不但需要有較高的準確性，亦需要其技術及相關設備較為簡單易懂才方便一線工程人員學習，還需要有較低的經濟成本，才能為廣大基層電力部門所接受。然而，迄今為止，相關技術手段與設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構強度較低；因為紅外線無法穿透SF6氣體，所以紅外測溫難以直接探測到充滿SF6氣體的GIS 設備的內部；無線測溫的可靠性與抗干擾性尚需進一步提升[24-29]等。

2）溫度狀態的物理場建模分析方面，仍然缺乏足夠準確、合理、高效的分析模型及其求解手段。封閉高壓開關設備內部構件的發熱問題，是電-磁-流-熱多種物理現象的綜合作用的體現，只有精準深入地描述其耦合作用機制，才能對相關物理場狀態實現準確建模。除此之外，由于此類設備內部構件的幾何形狀與材料特性較為復雜，因此對相關物理場的求解過程往往較為繁瑣冗長，其計算資源及費用相對較高。上述問題的存在，導致在對封閉開關柜內部發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，以致其分析質量仍具有較高的提升空間[27 -29]。

3.2 未來研究工作的發展方向

為解決上述問題，預計在未來的研究工作，將主要圍繞以下3 點開展。

1）進一步重視和發展對發熱測量技術手段的研究以及相關設備設施的開發。隨著傳感器與測量、信號傳輸與通信、紅外檢測、紫外檢測，以及數字射線實時照相等技術的發展，各類檢測手段將得到大幅度的提升與綜合。封閉開關設備發熱檢測的直觀性、全面性、準確性、經濟性與適用性必將得到進一步的提升。

2）更加深入地開展仿真計算方法的研究和應用。物理場分析模型的維數，將從當前相對簡單的二維模型，向更為復雜具體的三維模型進化，相關物理場數值分析大規模方程組的解算方法，亦將得到進一步發展[30]。圖6 即為開關設備內部三維物理場計算的幾何建模示意圖。

圖6 開關設備三維物理場計算幾何模型

針對此類設備中的電磁、流速、溫度、應力、聲學等多種物理現象，以及變速機械運動行為，將應從數學、物理理論建模的角度，更為準確合理地描述其耦合作用關系。在此基礎上，無論是從解析求解的角度，還是從數值分析的角度，相關耦合場求解的緊密性、精準性以及求解效率，都有望得到進一步的提升。

物理場分析方法與優化設計方法以及測量數據的結合將更為緊密，將有望從電磁場-溫度場綜合逆問題的角度，對封閉開關設備內部溫度分布進行研究，繼而對此類設備內部結構實施進一步的優化設計。更為先進的綜合性狀態分析與診斷模型，亦有望取得突破。

3）對材料特性的模擬將更加趨于精細化。物理場的數值分析結果的質量，很大程度上取決于對求解區域構成材料的物理性質的準確模擬[30]。對封閉開關設備而言，在對其損耗發熱分析中，就涉及到對導磁能力非線性、導熱系數的各向異性、渦流分布的肌膚效應、電阻材料的溫度效應，以及流體的熱物理性質等一系列物理特性的精確模擬與分析。由此可以預見，在未來的研究中，此類研究工作將更為細致、具體和準確，從而促進封閉開關設備損耗發熱數值仿真技術的進一步發展。

4 結論

綜上所述，截至目前，對于封閉開關設備發熱狀態評估方法的研究，雖然已經取得了一些具有建設性的成果，但其發展空間，仍然相當廣闊。隨著采樣測量技術、物理場數學理論、數值計算方法、計算機軟硬件技術的持續發展與交叉融合，將有望獲得更為全面、準確、直觀的發熱分布評估結果，真正實現對此類設備內部發熱狀態的全面準確掌握，進而能夠在提高此類設備狀態檢修水平的同時，進一步改善電網運行的安全性、可靠性。