500kVGIS隔离开关触头温度监测及外壳温度传感器优化布置_2

500kVGIS隔离开关触头温度监测及外壳温度传感器优化布置
发布时间：2022-10-30T03:52:26.502Z 来源：《科技新时代》2022年第12期作者：张本宇
[导读] GIS触头温度是反应触头热故障信息最直接的指标，有必要实时监测其温度
张本宇
国网山西省电力公司超高压变电分公司山西太原 030000
摘要：GIS触头温度是反应触头热故障信息最直接的指标，有必要实时监测其温度。

目前无法在触头上安装传感器来监测其温度，因此文中提出利用多点外壳温度和环境温度的监测值来反演计算GIS触头温度，并对布置在外壳上的多点传感器进行了优化。

关键词：GIS；温度监测；温度反演；传感器优化布局
引言
气体绝缘组合电器(gas insulated switch gear，GIS)以其不受环境影响、施工安装时间短、施工费用低、运行安全可靠、不受无线电干扰、占地面积小等优点迅速发展并广泛应用于电力系统的高压和超/特高压领域，然而其接头常常因制造工艺的不足，不同厂家间装配工艺的差别等原因出现镀银层不均、镀银层脱落等问题，使得触头处出现接触不良，造成接触电阻过大，即使在通过正常电流的情况下也可能导致发热严重，诱发局部过热性故障。

如某变电站中隔离开关由于动静触头接触不良，导致通入电流后触头异常发热，造成触头烧蚀故障。

触头温度是反应触头热故障信息最直接的指标，因此在线监测GIS设备触头温度，对电力系统安全稳定运行具有十分重要的现实意义。

目前国内外主要采用红外测温(手持式红外热像仪、红外温度传感器)、光纤测温以及其他监测技术(PTC温度传感器、蓝牙等)对GIS触头温度进行监测。

手持式红外热像仪测温精度与灵敏度较低，无法实现温度在线监测。

红外温度传感器测温需要在GIS外壳开孔以安装传感器，破坏了GIS设备的结构，难以保证设备的绝缘性和密闭性，且测温准确度会受气室内SF6气体浓度以及金属表面发射率等因素影响[1]。

光纤测温技术以波长作为检测量，利用温度不同时光纤的中心波长不同，从而达到测温的目的。

光纤测温技术具有不受电磁干扰影响、绝缘性能好、可靠性高、体积小、便于安装、可植入性强等优点。

将光纤光栅温度传感器运用于GIS母线温度监测系统中，基于实验数据拟合母线触头温升和外壳单点温升的对应关系，并利用外壳单点温升来反推母线触头温升，但其监测精度尚不能满足工程运用的要求。

将光纤光栅温度传感器运用于GIS隔离开关触头温度监测系统中，利用神经网络拟合环境温度、外壳温度和隔离开关触头温度的关系，从而利用环境温度和外壳温度来间接监测隔离开关触头温度，但实验数据有限，而神经网络训练网络需要大样本数据，因此其计算精度还有待提高。

其他监测技术的精度和可靠性较低，难以适用于大规模投运的GIS设备。

1单相GIS隔离开关温度场计算
1.1物理模型
以真实的单相500kVGIS隔离开关为原型，建立三维的温度—流体场仿真模型，为了有利于建模，将物理模型作以下简化：①假设触头发热均匀，将触头等效为体热源；②忽略内部支撑绝缘子和外壳某些小部件对温度场分布的影响；③盆式绝缘子的材料为环氧树脂，金属外壳的导热率远高于环氧树脂，通过盆式绝缘子散热量相对较少，本模型将盆式绝缘子处设置为绝热边界条件[2]。

触头材料为铜，外壳和屏蔽罩材料为铝合金，导电杆材料为铝，腔体内填充0.3MPa的SF6气体。

1.2数学模型
GIS隔离开关模型中主要存在热传导、热对流和热辐射这3种热量传递方式。

在导体和外壳等固体域中，传热主要以热传导为主，流固交界面主要通过热对流和热辐射传递热量，导体与GIS外壳以及GIS外壳与外界环境主要通过热辐射进行热交换。

为便于计算，作了以下简化：①隔离开关气室内SF6气体除密度外，各项物性参数保持不变；②气室内流体流动状态为层流，气体模型为可压缩流体；③GIS隔离开关放置于室内，忽略了风速和太阳光照等因素的影响；④GIS隔离开关气室外环境离内部导体有一定距离，假设环境温度不受内部导体发热的影响。

1.3 GIS隔离开关温度—流速场计算结果分析
设置环境温度为293K、负荷电流为1kA、触头接触电阻为15μΩ，达到稳态时GIS隔离开关的温度场。

可知，触头温度最高为301K，触头上方气体以及触头周围导电杆温度均较高，触头与导电杆的最大温差达到7K，而外壳表面最大温差仅为1.5K，内部导体与外壳间存在较大的热阻，外壳呈现上方温度高下方温度低。

由于屏蔽罩的阻挡作用，外壳温度最高点位于屏蔽罩间隙正上方，温度约为294.5K。

可以看出，浮升力作用下气体向上流动，屏蔽罩间隙上部区域气体流速最快，约为0.18m/s，气体流速呈现上高下低，气体通过对流换热向外壳传递热量，外壳表面呈现温度上高下低。

为进一步揭示规律，文中仿真了接触电阻对隔离开关温度场分布的影响，设置环境温度为293K、负荷电流为1kA、触头接触电阻分别为15、200、300、600、800μΩ时，隔离开关的稳态温度场分布。

计算结果表明，不同接触电阻下的温度场分布趋势大致相同，触头始终是气室内温度最高处，而外壳温度最高点始终出现在屏蔽罩间隙正上方，温度随接触电阻增大而增大。

从仿真结果可以得到以下结论：①负载电流和环境温度一定时，触头温度随接触电阻增长大致呈现线性增长；②接触电阻对触头温度影响较大，接触电阻增大时触头温度的增大趋势要明显强于外壳温度。

2试验研究
2.1传感器布置
基于温度场仿真的结果，为了更有效地测量隔离开关外壳的温度场分布，在外壳表面设置了3个(A、B、C)测量截面，分别位于触头截面和触头两侧截面，每个截面布置8个传感器(传感器间相距45°)。

在紧贴触头处安装触头温度传感器，并在距隔离开关2m处安装环境温度传感器。

2.2试验接线与试验方案
2.2.1试验接线
温升试验接线原理图，试验回路主要由大电流发生器、母线、断路器、隔离开关等通过串联方式构成，利用大电流发生器为温升试验回路加载大电流。

试验选择在室内进行，忽略太阳辐射、空气流动对其影响。

用热电偶测量触头温度，用光纤光栅温度传感器测量外壳和环境温度。

在光纤光栅温度传感器与隔离开关外壳间涂覆导热硅胶，以保证测温的准确性。

为减少环境对传感器测温的影响，在传感器表
面贴覆保温棉。

2.2.2试验方案
在气室内通入0.3MPa的SF6气体进行温升试验。

首先打开温度自动采集设备，控制调压器使试验电流达到预定值，若1h内触头温升变化在1K以内，则认为隔离开关温升达到稳态，记录下此时的触头、外壳及环境温度。

进行不同工况下的温升试验，分布记录下稳态时的触头、外壳及环境温度。

2.3试验与仿真结果对比分析
此处以环境温度为293K、负荷电流为1kA，不同接触电阻下触头、外壳温度来加以说明，外壳温度取最高点温度。

可以看出不同接触电阻下，触头、外壳温度的仿真值与实测值变化趋势相似，均随接触电阻增大而增大，实测值略低于仿真值但温差不大，其差异可能是由于测量误差、环境因素或者其它外在干扰因素所致。

3结语
GIS触头温度无法直接测量，围绕GIS隔离开关触头温度监测的问题，文中使用的方法简单有效，可实现GIS隔离开关触头温度的非接触式测量，从一定程度上提高了基于GIS外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测的应用价值。

参考文献：
[1]罗学琛.变电所使用GIS设备与常规设备的综合比较[J].中国电力，1996，29(4)：2426.
[2]朱建武，周保红.GIS隔离开关触头烧损故障分析[J].江西电力，2010，34(3)：2021.。