一種GIS外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型的製作方法
2023-09-16 08:17:55
本發明屬於氣體絕緣組合電器(gasinsulatedswitchgear，gis)觸頭溫度在線監測技術領域，具體涉及gis隔離開關溫升實驗、gis隔離開關外殼、環境傳感器的布置以及gis隔離開關觸頭溫度監測算法。
背景技術：
氣體絕緣組合電器(gasinsulatedswitchgear，gis)以其不受環境影響、施工安裝時間短、施工費用低、運行安全可靠、維護工作量少、運行費用省、不受無線電幹擾、佔地面積小等優點迅速發展並廣泛應用於電力系統的高壓和超/特高壓領域，並且在今後會得到更大規模的應用。
然而gis設備中大量使用的接頭(如隔離開關、母線、斷路器中的接頭)常常因製造工藝的不足，不同廠家間裝配工藝的差別，運輸和安裝過程中出現差錯，從而出現鍍銀層不均、鍍銀層脫落或者觸頭表面形成氧化層等問題，使得觸頭處出現接觸不良從而造成接觸電阻過大，即使在通過正常電流的情況下也可能導致發熱嚴重，破壞局部熱平衡，誘發局部過熱性故障。gis設備的使用壽命和運行可靠性不僅取決於設備的材料和結構，還與運行時的發熱程度有關，研究表明在投設備若運行時導體溫升過高，將導致金屬材料的機械強度大大降低，金屬氧化以及絕緣材料老化的進程加快甚至最終電介質強度降低而被擊穿。
gis設備中接頭是產生局部過熱故障的「高危」部位，其故障往往帶來嚴重的後果，輕則減負荷、部分設備斷電，重則導致設備損壞甚至引發短路故障，從而威脅整個gis設備系統的安全穩定運行。據不完全統計，國內外投入運行的gis設備，或多或少都因其母線、電纜、隔離開關接頭的接觸不良而出現過熱現象並引發事故，帶來了嚴重的經濟社會損失。觸頭溫度是反應觸頭熱故障信息最直接的指標，因此實時在線監測gis設備觸頭溫度，將其溫度作為直觀反映gis運行狀態的重要參數，以便運行工作人員提早發現故障，並及時採取有效措施，對電力系統安全穩定運行具有十分重要的現實意義。
目前無法實現直接在觸頭上布置傳感器來監測其溫度，對gis觸頭溫度監測的相關研究較少。有學者提出利用實驗數據對母線觸頭溫升和外殼單點溫升的對應關係進行最小二乘擬合，進而利用外殼單點溫升來反推母線觸頭溫升，這為非接觸式測溫的觸頭溫度監測提供了一種新思路，但監測精度和準確性還很難滿足工程實際運用的要求。也有學者通過實驗測得多點外殼溫度、環境溫度以及隔離開關觸頭溫度，利用神經網絡擬合環境溫度、外殼溫度和隔離開關觸頭溫度的關係，從而利用環境溫度和外殼溫度來間接監測隔離開關觸頭溫度，由於實驗數據有限，而神經網絡訓練網絡適用於大樣本數據，而且其計算往往只能得到局部最優解而不是全局最優解，因此仍需探尋更優良的方法來監測觸頭溫度。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有的gis隔離開關觸頭溫度監測技術的不足，提供一種基於gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，其能基於gis外殼和環境測溫來實現隔離開關觸頭溫度的非接觸式測量，為氣體絕緣組合電器在線監測和絕緣狀態評估打下基礎。
實現本發明目的的技術方案是：
一種gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，其特徵在於，
gis隔離開關溫升實驗迴路：用於給gis隔離開關提供實驗大電流，包括依次連接的大電流發生器，母線1，斷路器、母線2，所述大電流發生器，母線1，斷路器、母線2串接後在連接有gis隔離開關構成實驗迴路；
gis隔離開關：包括gis隔離開關以及設置在gis隔離開關外的屏蔽罩；
傳感器：設置在gis隔離開關外殼表面，用於測試實驗時的外殼溫度。
在上述的一種gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，gis隔離開關包括gis設備外殼，設置在gis設備外殼內的屏蔽罩，設置在屏蔽罩內的動觸頭和靜觸頭、以及與靜觸頭連通的導電桿。
在上述的一種gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，所述的gis隔離開關氣室長度為1000mm，導電桿的半徑為40mm；所述的外殼外徑為280mm，外殼內徑為260mm；所述屏蔽罩內徑為98.5mm，屏蔽罩外徑為105mm，屏蔽罩間隙為40mm；所述端蓋面半徑為340mm，端蓋面厚度為26mm；所述觀察窗內徑為38mm，觀察窗外徑為58mm；所述動觸頭側屏蔽罩為560mm，靜觸頭側屏蔽罩為140mm；所述動觸頭側導體長為660mm，靜觸頭側導體長為100mm；所述觸頭半徑為60mm，觸頭厚度為40mm。
在上述的一種gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，gis隔離開關溫升實驗迴路中，調壓控制臺的輸入端通過導線與220v/50hz的市電連接，其輸出端通過導線連接到大電流發生器的輸入端，通過大電流發生器1為溫升實驗迴路加載大電流。
在上述的一種gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，gis隔離開關溫升實驗迴路中，打開溫度自動採集設備，控制調壓器使實驗電流達到預定值，若1h內靜觸頭溫升變化在1k以內，則認為隔離開關溫升達到穩態，記錄下此時的靜觸頭、外殼及環境溫度；進行不同工況下的溫升試驗，並記錄下穩態時的靜觸頭、外殼及環境溫度。
在上述的一種gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，gis隔離開關外殼表面傳感器布局包括在外殼表面設置了a～c共3個測量截面，其中外殼傳感器b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8安裝在觸頭所處截面，傳感器之間夾角45°，同時在外殼上距離觸頭截面一定距離分別設置了a測量截面a、測量截面c；測量截面a處於屏蔽罩間隙區域；並且測量截面a和測量截面c分別置於觸頭截面兩側；a、c測量截面同樣布置8個測溫點(測溫點布置類似於b1-b8)；為了使環境溫度傳感器免受溫升試驗的影響，將環境溫度傳感器e安裝在距離隔離開關氣室2m處。
本發明採用上述技術方案後，主要有以下效果：1.本發明利用svr構建gis隔離開關觸頭溫度監測模型，訓練多點外殼溫度、環境溫度和隔離開關觸頭溫度的對應關係，然後利用多點外殼溫度、環境溫度來監測gis隔離開關觸頭溫度以實現隔離開關觸頭溫度的間接監測，彌補了現有sf6氣體絕緣電氣設備中內部觸頭溫度無法直接監測的不足。2.本發明能基於gis隔離開關多物理場仿真的結果確定外殼溫度傳感器、環境溫度傳感器的布置方案，為完善gis設備的測溫方案，以及為後期sf6氣體絕緣電氣設備的溫升實驗打下基礎。3.本發明進行了不同工況下的gis隔離開關溫升實驗，為完善gis隔離開關在不同工況下的溫升特性，以及為sf6氣體絕緣電氣設備的狀態監測和故障診斷打下實驗基礎。4.本發明裝置以真實的500kvgis隔離開關為研究對象，進行了不同工況下的溫升實驗，能很好地反應gis隔離開關的溫度場分布情況。5.本發明選定的核函數類型為徑向基核函數，結合最優參數並利用訓練函數和監測函數對回歸模型進行訓練和監測，結果表明利用gis外殼多點溫度與環境溫度對gis隔離開關觸頭溫度進行擬合監測的效果優越，監測的各項誤差均較小，平均相對監測誤差僅為0.47％，並且整個仿真計算過程耗時較少，操作較為簡便。本發明可廣泛用於基於gis隔離開關外殼和環境測溫的gis隔離開關觸頭溫度監測，為gis隔離開關觸頭溫度監測研究提供了一種簡單易用的方法。
附圖說明
圖1為本發明裝置的gis隔離開關溫升實驗迴路接線原理框圖；
圖2為本發明裝置的有屏蔽罩結構的gis隔離開關的結構示意圖；
圖3為gis隔離開關氣室物理模型的結構示意圖；
圖4a為本發明裝置的gis隔離開關外殼表面傳感器布局主視結構示意圖。
圖4b為圖1的左視結構示意圖
具體實施方式
下面結合具體實施方式，進一步說明本發明。
圖中：1、大電流發生器，2、母線，3、斷路器，4、隔離開關，5、gis設備外殼，6、屏蔽罩，7、動觸頭，8、靜觸頭，9、導電桿，10、觀察窗，11、sf6氣體，12、觸頭，13、盆式絕緣子。
首先，介紹一下本發明的裝置結構，gis隔離開關溫升實驗的實驗設備有500kvgis隔離開關、迴路電阻測試儀(量程為2000μω)、5000a大電流發生器。gis隔離開關溫升實驗的溫度測量系統中，gis隔離開關觸頭溫度主要由k型熱電偶監測，熱電偶溫度數字顯示儀顯示；而外殼及環境溫度的測量系統主要由光纖光柵溫度傳感器、數據採集裝置、解調儀和pc機等組成，其測量精度為±0.5℃，以上測溫設備均能實現溫度自動記錄並實時保存。gis隔離開關溫升實驗的實驗迴路主要由5000a大電流發生器、母線、斷路器、隔離開關等通過串聯方式構成。
往所述的實驗迴路系統中通入0.3mpasf6氣體，與實際運行的gis設備一致，gis隔離開關內部導體發熱時，熱量通過sf6氣體傳遞到外殼上。
以真實的500kv單相gis某隔離開關氣室為研究對象，為了有利於建模，將gis隔離開關氣室物理模型進行適當簡化。廠家提供的gis隔離開關幾何模型存在不連通的區域，很難直接利用其進行有限元仿真計算，因此在模型中需添加端蓋面，使得隔離開關氣室模型得以聯通。忽略內部支撐絕緣子和外殼某些小部件對溫度場分布的影響，假設gis隔離開關觸頭處均勻發熱，將觸頭等效為體熱源。隔離開關氣室兩側通過盆式絕緣子與其他氣室相連，盆式絕緣子的材料為環氧樹脂，金屬外殼的導熱率遠高於環氧樹脂，因此通過盆式絕緣子向外傳輸的熱量相對較少，本模型將盆式絕緣子處設置為絕熱邊界條件。
所述的gis隔離開關氣室主要由導電桿、外殼、屏蔽罩、端蓋面、觀察窗、觸頭構成。簡化模型後，所述的隔離開關氣室的主要尺寸參數如下。所述的gis隔離開關氣室長度為1000mm，導電桿的半徑為40mm。所述的外殼外徑為280mm，外殼內徑為260mm。所述屏蔽罩內徑為98.5mm，屏蔽罩外徑為105mm，屏蔽罩間隙為40mm。所述端蓋面半徑為340mm，端蓋面厚度為26mm。所述觀察窗內徑為38mm，觀察窗外徑為58mm。所述動觸頭側屏蔽罩為560mm，靜觸頭側屏蔽罩為140mm。所述動觸頭側導體長為660mm，靜觸頭側導體長為100mm。所述觸頭半徑為60mm，觸頭厚度為40mm。
為了保證溫升實驗迴路中氣室的氣密性，在gis殼體上安裝了信號端子板，用耐熱材料將觸頭傳感器固定後，其引線通過定製的信號端子板引出。在光纖光柵溫度傳感器與gis隔離開關外殼表面之間塗覆導熱矽膠以保證良好的導熱性能，提高外殼測溫的準確度。並且為了減少環境對溫度傳感器測溫的影響，在傳感器表面貼覆保溫棉。隔離開關外殼布置的溫度傳感器能反應隔離開關內部觸頭溫度的變化，為了保證gis隔離開關溫升實驗的有效性，外殼溫度傳感器的布置至關重要。
gis隔離開關外殼溫度傳感器、環境溫度傳感器布置利用多物理場仿真結果確定傳感器的布置方案。基於溫度場仿真結果可知，gis隔離開關外殼溫度沿徑向和軸向都呈現不均勻分布，屏蔽罩的遮擋作用使得屏蔽罩間隙上方外殼溫升最為明顯，外殼溫度梯度呈現上方大下方小，外殼呈現上方溫度高下方溫度低。因此，為了更加準確地測量gis隔離開關外殼表面的溫度場分布，在外殼表面設置了a～c共3個測量截面，其中外殼傳感器b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8(傳感器間相距45°)安裝在觸頭所處截面，同時在外殼上距離觸頭截面一定距離分別設置了a(a截面處於屏蔽罩間隙區域)、c兩個測量截面，a、c測量截面分別置於觸頭截面兩側。a、c測量截面同樣布置8個測溫點(測溫點布置類似於b1-b8)。為了使環境溫度傳感器免受溫升試驗的影響，將環境溫度傳感器e安裝在距離隔離開關氣室2m處。
實驗過程中，首先打開溫度自動採集設備，控制調壓器使實驗電流達到預定值，若1h內觸頭溫升變化在1k以內，則認為隔離開關溫升達到穩態，記錄下此時的觸頭、外殼及環境溫度。進行不同工況下的溫升試驗，並記錄下穩態時的觸頭、外殼及環境溫度。
觸頭溫度反演算法部分，本發明通過監測gis隔離開關外殼的溫度和環境溫度來反演計算隔離開關內部觸頭的溫度以實現內部觸頭溫度的非接觸式測量。本發明採用支持向量回歸機(supportvectorregression，svr)訓練多點外殼溫度、環境溫度和gis隔離開關觸頭溫度的對應關係，然後利用多點外殼溫度和環境溫度的實測來反演計算gis隔離開關觸頭溫度。從實驗所得的93組gis隔離開關溫升實驗數據中，隨機選取83組作為訓練樣本，剩餘10組作為監測樣本，選取外殼24點溫度值以及環境溫度值作為自變量，隔離開關觸頭溫度值作為因變量，核函數類型選擇徑向基核函數，並選用均方誤差mse、平方相關係數r、最大相對監測誤差、最小相對監測誤差和平均相對監測誤差作為模型的監測指標。本發明選用matlab中的libsvm軟體，利用svr模型建立gis隔離開關觸頭溫度的非接觸式監測模型，能實現基於gis隔離開關外殼和環境測溫的gis隔離開關觸頭溫度監測。
下面結合上述裝置進行具體案例的闡述。
實施例1
如圖1～4所示，一種gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型，主要由gis隔離開關溫升實驗迴路、有屏蔽罩結構的gis隔離開關、gis隔離開關外殼表面傳感器布局及svr隔離開關觸頭溫度監測算法構成，主要包括1、大電流發生器，2、母線，3、斷路器，4、隔離開關，5、gis設備外殼，6、屏蔽罩，7、動觸頭，8、靜觸頭，9、導電桿，10、觀察窗，11、sf6氣體，12、觸頭，13、盆式絕緣子和svr的gis隔離開關觸頭溫度監測算法。
所述的gis隔離開關溫升實驗迴路由1、大電流發生器，2、母線，3、斷路器及4、隔離開關構成。調壓控制臺(容量為50kva)(市購產品)的輸入端通過導線與220v/50hz的市電連接，其輸出端(調壓控制臺輸出電壓為0～250v)通過導線連接到大電流發生器1(市購產品，5ka/10kva)的輸入端，通過大電流發生器1為溫升實驗迴路加載大電流。打開溫度自動採集設備，控制調壓器使實驗電流達到預定值，若1h內觸頭溫升變化在1k以內，則認為隔離開關溫升達到穩態，記錄下此時的觸頭、外殼及環境溫度(外殼傳感器的布置方案如圖4a和圖4b所示)。進行不同工況下的溫升試驗，並記錄下穩態時的觸頭、外殼及環境溫度。
所述的有屏蔽罩結構的gis隔離開關主要由5、gis設備外殼，6、屏蔽罩，7、動觸頭，8、靜觸頭，9、導電桿構成。所述的gis隔離開關氣室長度為1000mm，導電桿的半徑為40mm。所述的外殼外徑為280mm，外殼內徑為260mm。所述屏蔽罩內徑為98.5mm，屏蔽罩外徑為105mm，屏蔽罩間隙為40mm。所述端蓋面半徑為340mm，端蓋面厚度為26mm。所述觀察窗內徑為38mm，觀察窗外徑為58mm。所述動觸頭側屏蔽罩為560mm，靜觸頭側屏蔽罩為140mm。所述動觸頭側導體長為660mm，靜觸頭側導體長為100mm。所述觸頭半徑為60mm，觸頭厚度為40mm。
所述的gis隔離開關外殼表面傳感器布局包括在外殼表面設置了a～c共3個測量截面，其中外殼傳感器b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8(傳感器間相距45°)安裝在觸頭所處截面，同時在外殼上距離觸頭截面一定距離分別設置了a(a截面處於屏蔽罩間隙區域)、c兩個測量截面，a、c測量截面分別置於觸頭截面兩側。a、c測量截面同樣布置8個測溫點(測溫點布置類似於b1-b8)。為了使環境溫度傳感器免受溫升試驗的影響，將環境溫度傳感器e安裝在距離隔離開關氣室2m處。
所述的svr隔離開關觸頭溫度監測算法包括基於實驗數據利用svr訓練多點外殼溫度、環境溫度與隔離開關觸頭溫度的對應關係，然後利用多點外殼溫度和環境溫度的實測來反演計算gis隔離開關觸頭溫度以實現觸頭溫度的非接觸式監測。
所述的gis外殼和環境測溫的隔離開關觸頭溫度監測模型包括外殼和環境溫度監測系統和gis隔離開關觸頭溫度監測系統兩部分。所述的外殼和環境溫度監測系統採用光纖光柵溫度傳感器監測gis隔離開關外殼和環境溫度，所述gis隔離開關觸頭溫度監測系統通過svr觸頭溫度監測算法並基於測得的gis隔離開關外殼和環境溫度，實現內部觸頭溫度的反演監測。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。