換流閥防火監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及散熱性能研究

王 凱，毛志云，宋全剛，屈 琳，張曉鴿，高春艷

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

目前，中國已投運(yùn)的高壓、特高壓直流工程近30條，我國直流輸電工程數(shù)量居全球首位，換流閥屬于直流輸電工程的核心設(shè)備[1-2]，其作用是實(shí)現(xiàn)交直流電的轉(zhuǎn)換。

換流閥主要由晶閘管及其控制單元、電容、電阻，飽和電抗器，水路系統(tǒng)和避雷器以及結(jié)構(gòu)件等組成，長期運(yùn)行在高電壓、大電流、強(qiáng)電磁的復(fù)雜環(huán)境下。近年來，國內(nèi)外換流閥火災(zāi)事故已發(fā)生幾十起，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

在換流閥閥廳防火監(jiān)測(cè)方面，國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，韋鵬設(shè)計(jì)出一種閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，王抗提出將紫外檢測(cè)和煙霧結(jié)合后應(yīng)用在高壓直流換流閥火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)中，劉艷華提出將紅外智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在特高壓閥廳中使用，分別從靜動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面實(shí)現(xiàn)閥廳的火災(zāi)監(jiān)測(cè)[3-6]，但目前閥廳防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)精度不足和時(shí)效性差的問題，因此，亟待提升換流閥閥廳及閥塔防火監(jiān)測(cè)能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理火情。

為彌補(bǔ)閥廳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，針對(duì)換流閥閥塔內(nèi)部火災(zāi)監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，研制出一種植入換流閥閥塔內(nèi)部的防火監(jiān)測(cè)裝置，該裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控閥塔內(nèi)部關(guān)鍵元器件的狀態(tài)和溫度。一旦閥塔內(nèi)部元器件起火，閥塔防火監(jiān)測(cè)裝置能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情。

為保證裝置在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常工作，需對(duì)其進(jìn)行散熱性能分析。本文首先提出防火檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，而后依據(jù)散熱基本原理，利用有限元分析方法對(duì)防火監(jiān)測(cè)裝置的散熱性能進(jìn)行分析，最后試制防火監(jiān)測(cè)裝置的樣機(jī)，并結(jié)合軟件后臺(tái)對(duì)防火監(jiān)測(cè)裝置成像關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該裝置完全滿足工程使用要求，可大幅提高火情監(jiān)測(cè)精度。

1 防火監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

換流閥自身的特殊電磁環(huán)境特性，要求其內(nèi)部植入元件必須具備如下特性：結(jié)構(gòu)緊湊，外形保持曲面，避免棱角凸起；具備良好散熱性能。

防火監(jiān)測(cè)裝置主要包含成像模塊、供能模塊和通信模塊，其中成像及通信模塊背部安裝一塊自制鋁散熱器，結(jié)合閥塔的運(yùn)行特性和金屬殼體機(jī)械加工工藝性，綜合布局后將模塊集成在一近似球狀的鋁合金殼體內(nèi)，鋁殼厚1 mm，半球最大直徑為120 mm，殼體表面開有直徑2.5 mm均勻分布的散熱孔(見圖1)。該裝置具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)緊湊、可在0～30°角范圍內(nèi)調(diào)整監(jiān)控視角、適合不同電壓等級(jí)換流閥使用等特點(diǎn)。

圖1 防火監(jiān)測(cè)裝置

防火監(jiān)測(cè)裝置直接安裝在閥塔層間的支承梁上，外殼與支承梁等電位連接。每個(gè)閥層布置2個(gè)監(jiān)測(cè)裝置就可以監(jiān)測(cè)閥層的全部元件，防火監(jiān)測(cè)裝置單層布置及監(jiān)測(cè)覆蓋范圍如圖2所示。通過分層布置的防火監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥塔關(guān)鍵零部件的全景監(jiān)測(cè)，以國內(nèi)運(yùn)行的某工程±800 kV換流閥為例，對(duì)加裝防火監(jiān)測(cè)裝置后的閥塔進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)和電磁場(chǎng)仿真校核，閥塔內(nèi)部的電氣間隙和磁場(chǎng)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 防火監(jiān)測(cè)裝置布置及監(jiān)測(cè)范圍示意圖

2 散熱性能評(píng)估

高溫會(huì)導(dǎo)致元器件性能改變甚至失效，從而引起整個(gè)電子設(shè)備的故障[7]。防火監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)時(shí)采用自然對(duì)流散熱，為保證裝置內(nèi)部元件的溫度在合理范圍內(nèi)，使用ANSYS軟件Icepak模塊對(duì)裝置進(jìn)行有限元分析，計(jì)算其內(nèi)部的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。

為了提高計(jì)算效率，對(duì)模型中的元件進(jìn)行簡化，忽略對(duì)結(jié)果影響較小的特征。分析主要步驟如下：對(duì)模型添加材料屬性，之后設(shè)置模型的計(jì)算區(qū)域。模型網(wǎng)格劃分時(shí)選用Mesher-HD，求解設(shè)置中采用自然對(duì)流散熱，同時(shí)打開重力選項(xiàng)和輻射換熱選項(xiàng)；將環(huán)境溫度30 ℃作為溫度邊界條件，發(fā)熱元件設(shè)置：熱成像模塊發(fā)熱量2 W，通信模塊發(fā)熱量1 W，以上設(shè)置完成后對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行求解。

模型求解結(jié)束后，為觀察裝置內(nèi)部元件的溫度分布狀況，提取關(guān)鍵元件的溫度(見圖3)，最高溫度為43.44 ℃，位于通信模塊上，主要元件的溫度值見表1，裝置的內(nèi)部元件溫度均滿足長期使用要求。

圖3 裝置內(nèi)部元件溫度云圖

表1 關(guān)鍵元件溫度值

為觀察防火監(jiān)測(cè)裝置模型內(nèi)部的流場(chǎng)，提取模型截面上的速度矢量圖(見圖4)，模型內(nèi)部空氣流動(dòng)均勻，表明防火監(jiān)測(cè)裝置的散熱設(shè)計(jì)較為合理。

圖4 速度矢量圖

3 樣機(jī)試制及關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

防火監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)閥塔關(guān)鍵零部件的實(shí)時(shí)全景監(jiān)測(cè)。通過控制成像模塊，實(shí)現(xiàn)可見光成像模塊和熱成像模塊運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)輸出。實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息、火情變化的實(shí)時(shí)獲取，為滅火操作提供依據(jù)。

閥塔防火監(jiān)測(cè)裝置獲取閥組件的圖像信息主要依靠可見光攝像頭和熱成像監(jiān)測(cè)器，熱成像監(jiān)測(cè)器獲取的是紅外圖像，主要反映器件的溫度，其對(duì)器件的紋理特征不敏感，因此需要借助于自然圖像易識(shí)別器件的特點(diǎn)，配準(zhǔn)和融合自然圖像，以獲取溫度過高的器件信息[8-11]。防火監(jiān)測(cè)裝置通過采用基于像素級(jí)的配準(zhǔn)方法，對(duì)紅外圖像進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)紅外成像和可見光圖像的融合處理。火災(zāi)監(jiān)測(cè)裝置的成像終端樣機(jī)控制架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 成像終端樣機(jī)控制架構(gòu)

防火監(jiān)測(cè)裝置的成像模塊包含一個(gè)Lepton紅外熱成像模組和一個(gè)OV5640(CMOS傳感器)可見光成像模組。控制模塊則主要是主控芯片及SRAM存儲(chǔ)單元，主控芯片為MAX10 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)Lepton探頭和OV5640探頭的控制和數(shù)據(jù)接收，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存(緩存芯片SRAM)，實(shí)時(shí)上傳采集的每行數(shù)據(jù)。供能部分采用激光取能技術(shù)，通過光電池將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電功率實(shí)現(xiàn)裝置的取能。考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境限制和數(shù)據(jù)量，成像模塊與監(jiān)控柜的監(jiān)控單元采用光纖通信，數(shù)據(jù)通信格式采用自定義異步串行通信方式。

根據(jù)圖像融合實(shí)現(xiàn)方案，試制出防火裝置的樣機(jī)，并搭建技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，以換流閥組件為對(duì)象，分別對(duì)紅外成像、可見光成像的圖片進(jìn)行采集(見圖6)。

圖6 未融合前圖像

后臺(tái)軟件對(duì)緩存后的可見光圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換格式，通過調(diào)整檢測(cè)范圍和融合度顯示出不同的增長效果，融合后圖像如圖7所示，成像系統(tǒng)的圖像融合效果達(dá)到預(yù)期要求，其成像關(guān)鍵技術(shù)通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 融合后圖像

4 結(jié)語

將防火監(jiān)測(cè)裝置植入到換流閥閥塔，對(duì)閥塔內(nèi)部電場(chǎng)分布影響不大，不影響換流閥元件的使用。通過有限元分析軟件對(duì)防火檢測(cè)裝置進(jìn)行散熱性能分析，得出內(nèi)部電子元件最高溫度為43.4 ℃，且裝置的內(nèi)部空氣流動(dòng)均勻，說明裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，散熱性能良好。

結(jié)合火災(zāi)監(jiān)測(cè)軟件后臺(tái)對(duì)防火監(jiān)測(cè)裝置的成像系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，防火監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥塔內(nèi)部元件的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥塔內(nèi)部火情并精準(zhǔn)定位，應(yīng)用后將會(huì)大大提高閥廳防火的精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。