叢浩熹，行晉源，李慶民，齊 波，李成榕，劉有為，肖 燕

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院 山東省特高壓輸變電技術(shù)與氣體放電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；2.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；4.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)（GIS）以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，具有開(kāi)斷能力強(qiáng)、故障率低、維護(hù)費(fèi)用少、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在變電站中獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。而當(dāng)GIS觸頭接觸不良時(shí)，其接觸電阻變大，通過(guò)負(fù)載電流時(shí)將產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。觸頭和母線過(guò)熱會(huì)引起絕緣老化甚至擊穿，以至引發(fā)重大事故和經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)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(guò)封閉母線、隔離開(kāi)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?，F(xiàn)象及并發(fā)事故[5-6]。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備溫度的在線監(jiān)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)并消除熱故障隱患，對(duì)GIS安全可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。

目前，在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用的預(yù)防GIS設(shè)備觸頭過(guò)熱的措施主要有3種：人工觀察觸頭表面顏色[7]、定期測(cè)量回路電阻和使用紅外成像儀[8-9]對(duì)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)定期進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。這些方法均存在著一定不足：前2種方法需要GIS設(shè)備停電檢修，第3種方法紅外成像技術(shù)的分辨率和精度都難以達(dá)到要求，而且這3種監(jiān)測(cè)方法均難以實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備溫度的持續(xù)測(cè)量，即不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。而目前在開(kāi)關(guān)柜觸頭測(cè)溫中應(yīng)用較為廣泛的光纖光柵在線測(cè)溫方法[10-11]，由于GIS結(jié)構(gòu)的特殊性還沒(méi)得到廣泛應(yīng)用。

紅外溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[12-13]可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的非接觸式測(cè)量，且不干擾或破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)和熱平衡狀態(tài)，同時(shí)解決了高電壓和高溫部分的有效隔離，可對(duì)GIS設(shè)備觸頭的溫度進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)量以及越限預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在故障設(shè)備實(shí)施主動(dòng)保護(hù)的可能性，具有廣闊的應(yīng)用前景[14-15]。不過(guò)，對(duì)于GIS設(shè)備中裝設(shè)屏蔽罩的斷路器和隔離開(kāi)關(guān)觸頭，則一般難以實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭溫度的直接紅外測(cè)量。本文通過(guò)建立GIS設(shè)備的傳熱計(jì)算模型，提出一種由直接測(cè)量屏蔽罩溫度而間接獲得觸頭部位溫度的方法，并基于實(shí)驗(yàn)研究獲得了觸頭溫度與屏蔽罩溫度的定量關(guān)系曲線，為實(shí)現(xiàn)GIS觸頭的紅外在線測(cè)溫提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 GIS設(shè)備紅外在線溫度監(jiān)測(cè)原理

紅外測(cè)溫是一種非接觸式的測(cè)量方法，通過(guò)接收被測(cè)物體的輻射來(lái)確定被測(cè)物體的溫度。在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不斷地向周圍空間輻射紅外輻射能量。物體紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。物體的溫度越高，發(fā)出紅外輻射的能量也越大，而且只要溫度出現(xiàn)微小變化，就可引起輻射能量明顯的變化。因而，通過(guò)測(cè)量物體自身輻射紅外能量的大小便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

對(duì)于GIS設(shè)備中裝設(shè)屏蔽罩結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，如斷路器和部分隔離開(kāi)關(guān)，紅外溫度傳感器難以實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭溫度的直接紅外測(cè)量。觸頭溫度與電流大小、觸頭接觸狀態(tài)以及觸頭處是否存在電暈等因素都有關(guān)系，但這些因素可以反映在觸頭和屏蔽罩的溫度變化上。針對(duì)這種情況，本文提出如下方法：采用紅外測(cè)溫探頭可直接測(cè)量觸頭位置處金屬屏蔽罩的溫度，然后利用建立的傳熱學(xué)模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度之間的定量關(guān)系，間接獲得GIS開(kāi)關(guān)靜觸頭部位的溫度。如圖1所示，通過(guò)紅外傳感器能夠直接測(cè)量的屏蔽罩（T1處）溫度來(lái)間接獲得觸頭（T2處）溫度。

圖1 有屏蔽罩結(jié)構(gòu)GIS紅外在線溫度監(jiān)測(cè)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of infrared online temperature monitoring device for shielded GIS contacts

2 GIS設(shè)備傳熱計(jì)算模型

2.1 溫度場(chǎng)的計(jì)算模型

以某GIS設(shè)備的單相隔離開(kāi)關(guān)為例，其結(jié)構(gòu)與工況參數(shù)如表1所示，界面結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，在隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部觸頭與金屬外殼之間的密閉空間內(nèi)，填充有SF6氣體。

表1 GIS單相隔離開(kāi)關(guān)基本參數(shù)Tab.1 Basic data of single-phase GIS disconnecting switch

圖2 隔離開(kāi)關(guān)界面示意圖Fig.2 Cross section of disconnecting switch

開(kāi)關(guān)觸頭處的熱源主要是流過(guò)觸頭的電流產(chǎn)生，散熱主要包括導(dǎo)體和屏蔽罩之間的氣體對(duì)流散熱、屏蔽罩上傳導(dǎo)散熱、屏蔽罩和外殼之間的氣體對(duì)流散熱、外殼上傳導(dǎo)散熱、外殼與外界空氣的對(duì)流散熱等多個(gè)環(huán)節(jié)。這里進(jìn)行3點(diǎn)假設(shè)：

a.開(kāi)關(guān)觸頭處金屬發(fā)熱均勻；

b.外界遠(yuǎn)離GIS設(shè)備處的空氣環(huán)境溫度恒定；

c.除密度外，內(nèi)部SF6氣體的其他物理特性保持恒定。

在二維溫度場(chǎng)求解中，氣體穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流時(shí)，其溫度和速度受質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和能量傳遞的共同支配，由如下方程描述。

a.觸頭和屏蔽罩之間的氣體對(duì)流。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

b.屏蔽罩的熱傳導(dǎo)過(guò)程。

導(dǎo)熱微分方程：

c.屏蔽罩和外殼之間的氣體對(duì)流。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

d.GIS外殼的熱傳導(dǎo)過(guò)程。

導(dǎo)熱微分方程為：

e.外殼與空氣的自然對(duì)流過(guò)程。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式（1）—（14）中，ui、vi分別表示氣體沿 x 和 y 方向的速度分量；ti為氣體溫度；Fxi、Fyi分別為體積力在x和y方向的分量；下標(biāo)中i可取1、2、3，分別對(duì)應(yīng)觸頭和屏蔽罩之間的氣體對(duì)流、屏蔽罩和外殼之間的氣體對(duì)流、外殼與空氣的自然對(duì)流；ρ為氣體的密度；cp為氣體的比熱；p為氣體壓力；ts、tw分別為屏蔽罩溫和外殼溫度；η為氣體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；τ為時(shí)間。

計(jì)算邊界條件：

其中，t∞為周圍環(huán)境溫度；rso為屏蔽罩到觸頭中心線的距離，對(duì)應(yīng)的屏蔽罩外表面處的溫度為tso。

輔以定解條件，可對(duì)上述微分方程組進(jìn)行求解。求解方法可采用有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法等，進(jìn)行離散迭代求解直至收斂，即可逐層得到各節(jié)點(diǎn)的溫度分布情況。

2.2 導(dǎo)體觸頭與屏蔽罩溫度的仿真分析

根據(jù)上述微分方程組及邊界條件，納入GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，采用ANSYS軟件對(duì)導(dǎo)體觸頭和屏蔽罩處的溫度進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的溫度場(chǎng)分布如圖3所示。圖3給出了沿軸心從內(nèi)到外（開(kāi)關(guān)觸頭、屏蔽罩、外殼）的溫度場(chǎng)分布，可清晰地看出觸頭和屏蔽罩的溫度差異。因屏蔽罩的存在，直接測(cè)量觸頭溫度較為困難，可通過(guò)直接測(cè)量屏蔽罩溫度來(lái)間接獲得觸頭部位的溫度。

圖3 GIS設(shè)備觸頭處的溫度場(chǎng)分布剖面圖Fig.3 Sectional view of temperature-field distribution around GIS contacts

利用數(shù)值仿真可大致獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度的關(guān)系，但要獲得準(zhǔn)確實(shí)用的定量關(guān)系，還得依據(jù)實(shí)驗(yàn)方法。

3 實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)GIS設(shè)備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括大電流發(fā)生器、GIS隔離開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒓t外溫度傳感器、熱電偶等，熱電偶分別放置在隔離開(kāi)關(guān)的觸頭處、屏蔽罩處、GIS設(shè)備外的空間中。

如圖4所示，首先將經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的熱電偶傳感器植入到GIS隔離開(kāi)關(guān)模型的屏蔽罩（圖1中T1處）和開(kāi)關(guān)觸頭處（圖1中T2處）。2個(gè)熱電偶的插頭均用硅脂涂滿，保證熱電偶與被測(cè)物體均勻良好接觸。其中屏蔽罩上的熱電偶涂滿硅脂后再用膠帶固定在屏蔽罩上，觸頭處的熱電偶用硅脂黏貼在觸頭處觸指上，2個(gè)熱電偶的引線分別通過(guò)觀察窗下的密封口引出。然后調(diào)節(jié)大電流發(fā)生器輸出電流的大小直至熱電偶的溫度示數(shù)穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，獲得不同工況下GIS隔離開(kāi)關(guān)觸頭溫度與屏蔽罩溫度的關(guān)系曲線。

圖4 熱電偶植入圖Fig.4 Embedded thermocouple

針對(duì)不同的環(huán)境溫度，由實(shí)驗(yàn)獲得GIS設(shè)備穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)（在某一恒定電流下運(yùn)行時(shí)的工況）的溫度數(shù)據(jù)，屏蔽罩溫度和觸頭溫度關(guān)系分布圖見(jiàn)圖5。

圖5 穩(wěn)態(tài)時(shí)觸頭溫度與屏蔽罩溫度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between contacts temperature andshield temperature in static state

從圖5中的分析可以看出：屏蔽罩溫度與導(dǎo)體觸頭和環(huán)境溫度之間存在密切關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，屏蔽罩溫度隨著導(dǎo)體觸頭溫度的上升而上升；當(dāng)導(dǎo)體觸頭溫度一定時(shí)，屏蔽罩溫度隨環(huán)境溫度降低而降低；導(dǎo)體觸頭與屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線較為復(fù)雜，需要尋找一種合適的算法通過(guò)屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度來(lái)反推觸頭溫度。

4 觸頭與屏蔽罩溫度映射關(guān)系

4.1 GIS設(shè)備傳熱模型仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

根據(jù)第2節(jié)建立的GIS設(shè)備傳熱模型通過(guò)數(shù)值仿真可大致獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度的關(guān)系，表2給出了部分仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。

表2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較Tab.2 Comparison between simulative results and test data

由表2可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果之間存在著一定的誤差，這是由于：實(shí)驗(yàn)中GIS設(shè)備處于無(wú)限大空間中，而仿真中為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)定GIS設(shè)備處于有限的空間中；仿真中將導(dǎo)體、屏蔽罩和外殼內(nèi)部的發(fā)射率均設(shè)為0.05，GIS溫度變化時(shí)各部分發(fā)射率可能發(fā)生改變；實(shí)驗(yàn)所采用的熱電偶溫度傳感器誤差為1℃，實(shí)驗(yàn)測(cè)量本身存在一定的誤差。

4.2 觸頭與屏蔽罩溫度映射關(guān)系擬合

在數(shù)據(jù)擬合和預(yù)測(cè)中，以支持向量機(jī)（SVM）算法[16-17]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）算法[18-19]應(yīng)用較為廣泛。SVM算法基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理，可以通過(guò)有限的樣本信息在模型的復(fù)雜度和學(xué)習(xí)能力之間尋求平衡，以達(dá)到最好的推廣能力，對(duì)于小樣本數(shù)據(jù)更具有優(yōu)勢(shì)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有良好的非線性映射能力，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。接下來(lái)的研究將應(yīng)用這2種算法對(duì)觸頭與屏蔽罩溫度的映射關(guān)系進(jìn)行研究。

本文采用最小二乘SVM方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合和預(yù)測(cè)，其具體的非線性建模過(guò)程如下。

a.建立SVM模型：

其中，tw（i）為觸頭溫度，tw（i）?R；t（i）=[ts（i），te（i）]?R2，ts（i）、te（i）分別為屏蔽罩溫度和環(huán)境溫度。

b.以樣本｛（ti，twi）ti?R2，twi?R，i=1，2，…，L｝為訓(xùn)練樣本集建立系統(tǒng)模型，L為訓(xùn)練樣本總數(shù)。

c.計(jì)算第i步輸出量的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的誤差。

d.令i＝i+1，重復(fù)步驟c直至收斂。

將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)采用MATLAB的trainlssvm函數(shù)和simlssvm函數(shù)分別進(jìn)行訓(xùn)練和求解，以屏蔽罩溫度、環(huán)境溫度為輸入變量，觸頭溫度為輸出變量，核函數(shù)采用徑向基函數(shù)。隨機(jī)選取10組檢驗(yàn)樣本，表3給出了上述算法的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比。

表3 實(shí)測(cè)值與2種算法的預(yù)測(cè)結(jié)果的比較Tab.3 Comparison between mesurements and forecasts by two algorithms

在設(shè)計(jì)BP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，輸入矢量包含屏蔽罩溫度、環(huán)境溫度，輸出矢量為觸頭溫度，因此該網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為2，輸出層節(jié)點(diǎn)為1。本文采用的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 本文采用的BP網(wǎng)絡(luò)模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of applied BP network model

通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)樣本泛化能力的比較，最終確定網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12。采用基于Levenberg-Marquardt算法的變梯度BP算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)和閾值進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)有限次的訓(xùn)練迭代，訓(xùn)練誤差迅速收斂到一個(gè)很小的數(shù)值，表明訓(xùn)練算法快速有效。將10組檢驗(yàn)樣本的數(shù)據(jù)輸入到上述經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)，就可得到預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)獲得的200組數(shù)據(jù)分為兩部分，從中隨機(jī)選取10組為檢驗(yàn)樣本，其余部分作為訓(xùn)練樣本。表3給出了BP網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)結(jié)果與檢驗(yàn)樣本的實(shí)際數(shù)據(jù)的比較。

對(duì)比表3可見(jiàn)，SVM方法和BP網(wǎng)絡(luò)算法均能夠根據(jù)屏蔽罩溫度的變化對(duì)導(dǎo)體觸頭溫度做出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。盡管預(yù)測(cè)模型結(jié)果和實(shí)際結(jié)果存在微小差別，但均在誤差允許的范圍內(nèi)，總體而言，BP網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度更高。

5 暫態(tài)溫升實(shí)驗(yàn)

由第4節(jié)可知，基于BP網(wǎng)絡(luò)算法可由屏蔽罩溫度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)時(shí)的GIS觸頭溫度。為研究電流突然變化時(shí)上述方法的可行性，開(kāi)展了如下實(shí)驗(yàn)。

分別加載大電流（iL分別取1.0 kA、1.8 kA）并保持穩(wěn)定，此時(shí)環(huán)境溫度基本恒定，同時(shí)記錄導(dǎo)體觸頭溫度隨時(shí)間的變化情況并將BP網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 暫態(tài)時(shí)觸頭溫度的擬合結(jié)果Fig.7 Results of contacts temperature fitting in transient state

從圖7可以看出，在導(dǎo)體電流突然變化時(shí)，BP網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算擬合結(jié)果仍具有較高的準(zhǔn)確度，由屏蔽罩的溫度仍可準(zhǔn)確反映觸頭的溫度變化，本文的測(cè)溫方法和BP網(wǎng)絡(luò)算法仍然非常有效。

6 結(jié)論

針對(duì)紅外傳感器不能直接測(cè)量帶有屏蔽罩結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體觸頭溫度，本文提出由直接測(cè)量屏蔽罩溫度來(lái)間接獲得觸頭部位溫度的方法，建立了GIS傳熱分析模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了各個(gè)部位溫度之間的定量關(guān)系，進(jìn)而采用SVM算法和BP網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)觸頭溫度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。相關(guān)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備觸頭溫度的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及越限預(yù)警，為GIS設(shè)備的觸頭測(cè)溫和運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估提供了基礎(chǔ)依據(jù)。