封闭高压开关设备发热的监测与评估方法综述

范镇南，孔祥熙，张德威，李景灿，黄 锐

（1.西华大学电气与电子信息学院，四川 成都 610039；2.国家电网四川省电力公司技能培训中心（国网技术学院成都分院），四川 成都 610072；3.重庆大学电气工程学院输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030；4.西藏云康智能科技有限公司，西藏 拉萨 850000）

作为电力系统中接通和断开回路、切除和隔离故障的重要保护与控制装置，封闭高压开关设备的健康状况，直接影响着电力系统运行的安全稳定。由于该类设备密闭性好，体积有限，所以其温升发热问题逐渐突出，发生过热故障的可能性也随之增加。

长期以来，高压开关柜的内部发热故障一直未能得到足够有效的监测和抑制。特别是气温较高的夏季，由于用电负荷居高不下，其内部触头及母线接头处等部位，常常发生过热、烧蚀甚至爆炸事故，进而造成严重经济损失。特别是12～40.5 kV电压级别的中高压开关设备，其触头、引线过热故障多有发生，并屡次恶化为绝缘故障，引发起弧乃至设备烧损事故[1]。为此，国家电网公司在《十八项电网反事故重大措施》中，针对开关柜内出线座与触头部位的过热问题，明确要求加强相关温度监测与运维检修力度[2]。在气体绝缘开关设备（gas insulated switch-gear，GIS）方面，亦明确指出“对于GIS 内部的电连接，特别是母线的连接处，由于安装工艺差或长期运行的机械振动会造成个别插接触指接触不良，造成局部过热”[3]。

为提高封闭开关设备状态检修水平，避免过热故障的发生，必须采取更为有效的发热评估方法和研判标准。然而，对这方面的研究还有待深入，尚存在一些重要问题有待探索。本文在收集和分析相关文献的基础上，从现场测量与仿真分析2 方面，阐述了封闭开关设备发热检测评估方法发展现状，并着重介绍了多光谱观测窗与电磁场-流场-温度场耦合分析方法在此类设备发热检测评估中的应用，在此基础上，分析探讨了此类设备内部发热监测与评估技术的发展前景。

1 应用多光谱观测窗测温

1.1 常规测温方法及其局限性

全面准确的测温数据，是优化发热故障研判的依据，是制定对应监测及诊断策略的关键保障。然而其内部的大电压、强电流、高温度以及交变磁场等因素的干扰，致使早期的试纸测温法难以满足要求，且热电偶、热电阻及半导体温度传感器的测温精度亦不尽人意。近年来开始应用的光纤式温度在线监测仪，虽然可以连续准确地监测高压开关柜内接点的运行温度，但是存在安装维护要求高、感温面老化脱落影响测温采样等问题，并且是散点测温；因此，难以获得设备的整体温度分布情况[5-12]。红外热成像仪虽然可以测得物体的温度分布云图，但通常仅用于测量敞开式电力设备的温度。对于封闭高压开关设备而言，由于红外线无法直接穿透其外壳，其内部红外测温工作，长期以来并未得到有效的开展[4-12]。

1.2 多光谱观测窗的测温原理

此类观测窗通常由生长晶体材料制成，能够同时透过红外线与可见光，因此将其安装在封闭开关柜的柜门上，利用红外测温仪，即可对柜内设备进行大面积、大范围的温度等物理量的实时监测。

该测温窗口主要由金属外框、光学晶体与金属盖板3 部分组成，其结构及安装如图1 所示。

图1 多光谱观测窗结构与安装示意图

其中，核心设备是光学晶体，其外层有红外镀膜，并固定在金属外框里。金属外框通过螺丝或铆钉，固定在开关柜外壳（柜门）上。为保护光学晶体，在金属外框上，通常还装有金属盖板。窗口内径通常有3 种尺寸：50、75 和100 mm。内径尺寸越大，检测范围越大。

光学晶体是多光谱观测窗监测温度的关键，该晶体可透过紫外线、可见光和红外线。其工作波段为0.15～14 μm，主要检测低温、常温下设备的发热情况。在电力行业，该波段基本上能满足现有电力设备的故障检测要求。将观测窗安装于高压开关柜外壳的适当位置，不仅能作为普通的观测窗检视柜内设备情况，而且在与红外热成像仪配合的情况下，可方便地实现柜内设备的红外发热在线监测。当进行温度测试时，只需将红外热成像仪靠近并对准观测窗光学晶体，即可借助红外热成像设备，获知柜内被测区域的整体温度情况，相关原理如图2 所示。在实际测温时，通过适当调整红外成像仪的角度，可以扩展测量视野和范围，以满足大面积、大范围的测量需求。

图2 多光谱观测窗红外测温示意图

1.3 多光谱观测窗测温的现场实测

为验证此类观测窗在柜内设备温度监测中的效果，进行了专门的测温现场试验。在试验中，测温窗口的防护等级高达IP65，明显高于开关柜的防护等级，妥善保证了测试的安全性。另外，由于试验是以测试柜内铜排及接头温度为目的，所以观测窗安装于柜门外壳上正对被测设备处，现场试验照片如图3 所示。

图3 通过多光谱观测窗对柜内设备进行红外测温

该试验表明，多光谱观测窗与红外热成像仪相结合，可以在不干扰设备运行的前提下，得到相对全面合理的设备内部温度分布数据。

2 应用仿真分析方法评估

对封闭高压开关设备损耗与温度分布的准确求解，是进一步研究其发热问题热成像诊断的理论基础。特别是对于使用SF6气体绝缘的GIS 设备，由于内部压强较大，且红外线无法穿透SF6气体，无法使用多光谱观测窗与红外测温仪结合的方法，探测其内部温度。在此情况下，使用仿真分析的方法，评估其内部构件的损耗发热情况，就显得尤为必要。

2.1 传统仿真分析方法应用与局限

封闭高压开关设备内部的损耗发热，是电磁场、流速场、温度场等多种物理场综合作用的结果。如果在建模分析中不能全面准确考虑上述物理场之间的影响作用，是难以获得准确合理的结果的。早期的电路、磁路、热路简化分析方法，以及电磁场温度场解析解法，虽然求解效率较高、便于工程应用；但由于难以满足上述要求，以致其分析结果的全面性、准确性与合理性，皆尚有较大提升空间[13-17]。近年来，有限元等数值分析方法开始应用于此类设备的损耗发热研究，能够更为准确地求解其内部的损耗（热源），但在相关发热求解方面，如果不能从流速场-温度场耦合的角度开展分析，仍然难以把握设备内部的通风散热状态，进而难以在温度计算准确性与合理性上取得实质性的提升[18-21]。

2.2 电磁场-流速场-温度场耦合分析计算方法的应用

为克服上述问题，近年来，电磁场-流速场-温度场耦合分析方法被引入了此类设备的损耗发热分析。该方法具有2 大优点。

1）把流速场-温度场耦合分析直接应用于散热与温度计算。以2 维情况为例，该方法通常使用守恒方程，来描述封闭设备内部空间及外部环境中的气体稳态自然对流情况[22-23]。

质量守恒方程为

动量守恒方程为

式中：ρ为气体密度；P为气体压力，η为气体运动黏性系数；u、v分别为气体速度在x和y方向的分量；g为重力加速度；β为热膨胀系数；ΔT为冷热面之间的温差；Tq为气体温度；c为比热容。

上述方程较为全面地考虑气体稳态流动散热情况。将上述方程与热传导方程、对流及辐射散热边界条件联立，即可构成流速场-温度场计算边值问题模型，进行数值求解后，可得到较为全面合理的设备温度分布情况与气体流动散热情况。

2）从数学和物理理论角度，更为全面准确地描述柜内设备的电磁场、流速场、温度场等物理场计算参数之间的相互影响关系[22-23]。通过从热源、散热、温升等多个角度的分析，可全面准确揭示设备运行中电磁、通风、发热等物理量的形成和演进趋势，进而为此类设备的运维检修，提供更为全面、准确、适用的数据支持。以GIS 母线为例，应用此类方法解出的温度与散热状态数据，如图4 所示[23]。

图4 单相GIS 母线温度和气流分布

3 前景展望

3.1 尚待解决的主要问题

针对封闭高压开关设备内部温度状态的监测与评估工作，目前尽管已经取得了部分进展，但其总体成效仍然不尽人意，且近年来，也少有相关成果见于公开报道。其主要原因，在于以下2 点。

1）在温度现场监测方面，仍然缺乏令人满意的技术及相关设备。在电力系统中，封闭高压开关设备数量极为巨大，这使得对其内部温度的监测工作，不但需要有较高的准确性，亦需要其技术及相关设备较为简单易懂才方便一线工程人员学习，还需要有较低的经济成本，才能为广大基层电力部门所接受。然而，迄今为止，相关技术手段与设备尚难以满足上述需求。其主要缺陷在于：温度传感器高温失效问题尚未得到有效克服；红外观察窗晶体成本较高且结构强度较低；因为红外线无法穿透SF6气体，所以红外测温难以直接探测到充满SF6气体的GIS 设备的内部；无线测温的可靠性与抗干扰性尚需进一步提升[24-29]等。

2）温度状态的物理场建模分析方面，仍然缺乏足够准确、合理、高效的分析模型及其求解手段。封闭高压开关设备内部构件的发热问题，是电-磁-流-热多种物理现象的综合作用的体现，只有精准深入地描述其耦合作用机制，才能对相关物理场状态实现准确建模。除此之外，由于此类设备内部构件的几何形状与材料特性较为复杂，因此对相关物理场的求解过程往往较为繁琐冗长，其计算资源及费用相对较高。上述问题的存在，导致在对封闭开关柜内部发热物理场分析工作中，尚难以克服考虑物理场种类较少、耦合程度不高、求解效率较低等缺陷，以致其分析质量仍具有较高的提升空间[27 -29]。

3.2 未来研究工作的发展方向

为解决上述问题，预计在未来的研究工作，将主要围绕以下3 点开展。

1）进一步重视和发展对发热测量技术手段的研究以及相关设备设施的开发。随着传感器与测量、信号传输与通信、红外检测、紫外检测，以及数字射线实时照相等技术的发展，各类检测手段将得到大幅度的提升与综合。封闭开关设备发热检测的直观性、全面性、准确性、经济性与适用性必将得到进一步的提升。

2）更加深入地开展仿真计算方法的研究和应用。物理场分析模型的维数，将从当前相对简单的二维模型，向更为复杂具体的三维模型进化，相关物理场数值分析大规模方程组的解算方法，亦将得到进一步发展[30]。图6 即为开关设备内部三维物理场计算的几何建模示意图。

图6 开关设备三维物理场计算几何模型

针对此类设备中的电磁、流速、温度、应力、声学等多种物理现象，以及变速机械运动行为，将应从数学、物理理论建模的角度，更为准确合理地描述其耦合作用关系。在此基础上，无论是从解析求解的角度，还是从数值分析的角度，相关耦合场求解的紧密性、精准性以及求解效率，都有望得到进一步的提升。

物理场分析方法与优化设计方法以及测量数据的结合将更为紧密，将有望从电磁场-温度场综合逆问题的角度，对封闭开关设备内部温度分布进行研究，继而对此类设备内部结构实施进一步的优化设计。更为先进的综合性状态分析与诊断模型，亦有望取得突破。

3）对材料特性的模拟将更加趋于精细化。物理场的数值分析结果的质量，很大程度上取决于对求解区域构成材料的物理性质的准确模拟[30]。对封闭开关设备而言，在对其损耗发热分析中，就涉及到对导磁能力非线性、导热系数的各向异性、涡流分布的肌肤效应、电阻材料的温度效应，以及流体的热物理性质等一系列物理特性的精确模拟与分析。由此可以预见，在未来的研究中，此类研究工作将更为细致、具体和准确，从而促进封闭开关设备损耗发热数值仿真技术的进一步发展。

4 结论

综上所述，截至目前，对于封闭开关设备发热状态评估方法的研究，虽然已经取得了一些具有建设性的成果，但其发展空间，仍然相当广阔。随着采样测量技术、物理场数学理论、数值计算方法、计算机软硬件技术的持续发展与交叉融合，将有望获得更为全面、准确、直观的发热分布评估结果，真正实现对此类设备内部发热状态的全面准确掌握，进而能够在提高此类设备状态检修水平的同时，进一步改善电网运行的安全性、可靠性。