1、64 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Computer Engineering计算机工程0 引言电力开关设备内部温升异常会导致设备短路、烧毁，从而发生生产事故，常规人工巡检难以实时监测柜内准确的温升情况，仅能通过观察示温蜡油状态、使用红外测温枪的方式，估测温度情况，测量误差较大，存在极大隐患。光纤光栅温度传感技术具有精度高、响应快、无源传输、易组网等特点，逐步成为电力设备无源温度在线监测的标准方法1-7。本文采用AutoCAD绘制KYN-28A-12(Z)型6kV高压开关柜三维模型，利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件开展开关设备内
2、部温度分布情况仿真研究，并结合光纤光栅温度传感技术进行了实验验证，通过开关设备内关键位置的温度数据、环境温度数据、实时负荷电流工况数据相结合，开展电力开关设备内部温升特性分析。1 光纤光栅温度传感原理光纤布拉格光栅（FBG）属于反射型光学器基金项目：京能电力2020年度企业级科技项目（20212001725）。作者简介：张操，宁夏京能宁东发电有限责任公司；研究方向：电气工程。通信作者：彭志敏，清华大学能源与动力工程系，副研究员，博士；研究方向：测试计量技术及仪器。收稿日期：2022-07-22；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述采用AutoCAD绘制KYN-28A-12(Z)型6kV高
3、压开关柜三维模型，利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件开展开关设备内部温度分布情况仿真研究，结合光纤光栅温度传感技术进行了实验验证，通过开关设备内关键位置的温度数据和实时负荷电流工况数据相结合，探讨电力开关设备内部温升特性。分析结果有助于电力开关设备的故障诊断与健康状态评估。关键词：有限元分析，光纤光栅，温升特性，故障诊断与健康状态评估，电力开关设备。中图分类号：TP212，TP274文章编号：1000-0755(2023)04-0064-03文献引用格式：张操，彭志敏，魏逸飞，王辰旭，徐昊源，藏亮，张玉华，王晗.电力开关设备关键位置温升特性仿真与实验分析J.电子技术,20
4、23,52(04):64-66.电力开关设备关键位置温升特性仿真与实验分析张操1，彭志敏2，魏逸飞2，王辰旭3，徐昊源1，藏亮1，张玉华1，王晗2（1.宁夏京能宁东发电有限责任公司，宁夏 750400；2.清华大学 能源与动力工程系，北京 100084；3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 071000）Abstract This paper describes the use of AutoCAD to draw the three-dimensional model of KYN-28A-12(Z)type 6kV high-voltage switchgear,and the
5、use of COMSOL Multiphysics finite element analysis software to carry out simulation research on the distribution of temperature inside the switchgear.The experimental verification is carried out with the fiber grating temperature sensing technology.Through the combination of temperature data at key
6、positions in the switchgear and real-time load current working condition data,the internal temperature rise characteristics of power switchgear are discussed.The analysis results are helpful for fault diagnosis and health assessment of power switchgear.Index Terms finite element analysis,fiber Bragg
7、 grating,temperature rise characteristics,fault diagnosis and health status assessment,power switchgear.Analysis on Simulation and Experiment of Temperature Characteristics at Key Positions of Power Switchgear ZHANG Cao1,PENG Zhimin2,WEI Yifei2,WANG Chenxu3,XU Haoyuan1,ZANG Liang1,ZHANG Yuhua1,WANG
8、Han2(1.Ningxia Jingneng Ningdong Power Generation Co.,Ltd.,Ningxia 750400,China.2.Department of Energy and Power Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China.3.School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Hebei 071000,China.)电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557
9、 期）2023 年 4 月 65Computer Engineering计算机工程件，由光源发出的宽带光经过光纤光栅，可反射特定波长的窄带光，其中心波长B与光纤折射率neff、光栅栅间距B存在的关系8如式（1）。B=2neffB （1）在周围温度变化时，受热膨胀影响及热光效应作用，分别使光栅栅间距和光纤折射率发生改变，导致反射波长偏移，由波长偏移与温度变化的关系，可得到待测物体的温度。2 结果分析 2.1 开关设备测点温度仿真分析开关设备中发热主要因素是接触电阻，根据开关设备出厂参数，其动静触头处的接触电阻取值为25200，母排接点处的接触电阻取值为610。在环境温度为25，额定电流1 250
10、A条件下，利用COMSOL Multiphysics软件仿真了不同接触电阻情况下，KYN-28A-12(Z)型6kV高压开关柜中主母线母排接头（测点1）、断路器上触头（测点2）、下触头（测点3）和电缆连接处（测点4）温度，结果如表1所示。为保证理论仿真与实际测量具有可对比性，实验过程中选用了新列装的开关设备进行温度测量，保证了开关设备实际接触电阻值符合出厂值（母排6、触头25）。基于光纤光栅传感技术开展了开关设备中关键位置温度测量，理论仿真与实际测量结果对比见表1所示。结果表明，仿真结果与实际测量结果误差在10%以内，证明本文仿真方法具有一定的准确性；此外，母排接头处、断路器上、下触头温度相对
11、较高，电缆连接处发热较小，因此开关柜上柜属于温度监测重点区域；由于实验条件限制，只对比分析了接触电阻母排6、触头25的情况，由仿真结果可以看出，随着开关设备的运行，接触部位电阻值的不断增大，开关设备内部对应测点位置的温度显著增加，极大增加了事故风险，因此对关键位置温度实时监测显得尤为重要。2.2 开关设备测点温度数据分析结合厂用高压开关柜的电流数据，以连续10天作为监测周期，研究开关设备负荷变化与开关柜温升之间的关系。数据分析过程中选择测点1代表上柜温度，测点3代表下柜温度。2.2.1 设备内出线电流对开关设备温度特性影响以负荷变化明显的21号磨煤机开关柜为例，2021年4月110日内上柜温度
12、、下柜温度、出线电流、环境温度变化趋势见图1。结果表明出线电流对测点温度变化趋势影响明显，在电流骤增时，光纤光栅测温系统对测点位置温升反应灵敏，能及时监测温度值，在开关柜达到额定电流左右时，上柜测点温度约在3639间，下柜测点温度约在3034间，整体上上柜温度较下柜要高出5左右；出线电流为0A时，测点温度缓慢降低，如图1中4月2日起，电流由1 125A降为0A表1 测点温度仿真结果（a）15日（b）610日图1 磨煤机开关柜2021年4月出线电流-温度变化趋势66 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Computer Engineering计算机工程持续无
13、负荷时长达13h，上下柜测点温度仅降低了约3，分别是34和31，远高于室温25，测点温度下降速率约为0.27/h。测点温度下降缓慢一方面与光栅封装陶瓷的散热性、固定传感器所用航空胶导热性有关，一方面和柜内余温及散热有紧密关系，说明开关设备柜内散热效果较差，容易引起热量积聚。2.2.2 主母排导通电流的影响由于上柜内架通主母排，主母排负载大电流经进线柜上柜向尾部开关柜依次传递、分配电流，靠近进线柜的开关柜母排所带电流较大，在电阻作用下发热严重。选取同时间段靠近进线柜的汽机变压器开关柜作为研究对象，其出线电流温度变化趋势见图2。汽机变压器开关柜的上柜温度最高可达到70，上下柜间由钢板隔离，下柜温度
14、在35以内，受上柜温度影响较小，下柜出线电流均在额定电流附近。因此开关设备内需要加装强制散热装置用以加速柜内散热过程，尤其是靠近进线柜设备的上柜部分，具有重要应用价值。3 结语采用AutoCAD绘制KYN-28A-12(Z)型6kV高压开关柜三维模型，利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件开展开关设备内部温度分布情况仿真研究，仿真结果与实际测量结果误差在10%以内，证明本文仿真方法具有一定的准确性；母排接头处、断路器上、下触头温度相对较高，电缆连接处发热较小。由仿真结果可以看出，随着开关设备的运行，接触部位电阻值的不断增大，开关设备内部对应测点位置的温度显著增加，极大增加了事
15、故风险，因此对关键位置温度实时监测显得尤为重要。实验研究了设备内出线电流对温升特性的影响，结果表明出线电流对测点温度变化趋势影响明显，测点温度能够快速响应出线电流的升高，然而当出线电流降低时，测点温度响应较慢，主要是由于开关设备内部散热和传感器导热效果较差的原因。研究了靠近出线柜开关设备内部温升特性，其上柜温度最高可达70，下柜温度在35以内，主要是由于出线柜附近主母排载荷电流较大，发热非常严重，导致开关设备上柜温度较高。本文开展了电力开关设备关键位置温升特性仿真与实验研究，研究结果对电力开关设备故障诊断与健康状态评估具有重要意义。参考文献1 彭启轩,杨腾腾,黄鹏,李磊.电力高压开关柜绝缘事故
16、原因分析及对策J.江苏科技信息,2020,37(30):42-44.2 张爽,张璐,潘晓敏,夏循进.基于虚拟材料法的梅花触头温度场数值仿真分析J.南方电网技术,2020,14(11):74-80.3 龚天森,仝芳轩.基于光纤光栅传感器高压开关柜温度监测系统设计J.激光杂志,2014,35(09):89-91.4 王秉政,江健武,赵灵,樊亚东,段绍辉,王建国.高压开关柜接触发热温度场数值计算J.高压电器,2013,49(12):42-48.5 屈建宇,徐宏宇.万能式断路器温升特性仿真与实验研究J.电器与能效管理技术,2021(04):40-45.6 柯红海,于志国,袁杰,陈世颋,唐春华,杨乾纯,何忠辉,黄小龙,赵莉华,吴月峥.中压开关柜温升特性的多物理场耦合仿真研究J.广东电力,2022,35(10):125-132.7 薄凯,周学,翟国富,祖甘霖.大电流条件下真空接触器温升特性的试验测量与仿真分析J.电工技术学报,2019,34(24):5135-5143.8 Mohammed A,Melecio J I,Djurovic S.Stator winding fault thermal