基于紅外測溫技術(shù)的GIS導(dǎo)體溫度在線監(jiān)測的方案.KDH

1、年2008 20098月Aug.High High Voltage Voltage Apparatus Apparatus基于紅外測溫技術(shù)的GIS 導(dǎo)體溫度在線監(jiān)測的方案武勝斌，鄭研，陳志彬（西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，陜西西安710077）摘要：提出了將紅外測溫功能集成在GIS 中的方案。針對(duì)GIS 運(yùn)行過程中溫升過高點(diǎn)多發(fā)生在導(dǎo)體連接處的特點(diǎn)，在導(dǎo)體連接部位安裝點(diǎn)式紅外測溫儀來適時(shí)監(jiān)測導(dǎo)體關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，該方案討論了導(dǎo)體的發(fā)射率和SF 6氣體溫室效應(yīng)的影響，同時(shí)考慮測溫儀的安裝對(duì)GIS 的密封性的影響，從而針對(duì)性地提出了解決方案，為在線監(jiān)測GIS 關(guān)鍵點(diǎn)的溫度提供了新的途徑。方案的實(shí)現(xiàn)將

2、在及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常溫升、避免突發(fā)故障方面起到重要作用。關(guān)鍵詞：GIS ；紅外測溫；在線監(jiān)測；狀態(tài)維護(hù)中圖分類號(hào)：TM83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-1609（2009）04-0100-03An On -line Monitoring Scheme of Conductor Temperature inGIS Based on Infrared Temperature MeasurementWU Sheng -bin ，ZHENG Yan ，CHEN Zhi -bin（Xi an High Voltage Apparatus Research Institute C o . ，L td . ，

3、Xi an 710077，China ）Abstract:This paper presents a design of integrating infrared temperature measurement into GIS. Because temperature of conductor contacts in GIS rises more quickly than that of other parts of conductors ，spot infrared thermoscopes are installed at the key points to monitor the te

4、mperatures in time. The problems of conductor s low emitting rate ，the greenhouse effect of SF 6gas ，and the leak tightness of GIS when installing or changing thermoscopes are analyzed. Therefore ，a new scheme for on -line monitoring the temperature of key points in GIS is proposed. Implementation o

5、f this scheme will facilitate to find abnormal temperature rise and avoid burst accidents.Key words:GIS ；infrared temperature measurement ；on -line monitoring ；state maintenance0引言GIS 以占地面積小、高穩(wěn)定性而受到電力用戶的青睞。然而隨著運(yùn)行時(shí)間的推移和日益增長的負(fù)荷需求，GIS 運(yùn)行的可靠性備受電力用戶的關(guān)注，其維護(hù)的方式迫切需要由定期維護(hù)向狀態(tài)維護(hù)轉(zhuǎn)變。由于受到GIS 自身封閉性結(jié)構(gòu)的限制，目前主要采用局部放電

6、檢測手段對(duì)GIS 運(yùn)行狀況進(jìn)行在線監(jiān)測1，2。局部放電因?yàn)橹饕ㄟ^特高頻無線接收或者通過耦合接地信號(hào)來判定是否存在內(nèi)部局部放電，所以存在放電位置確定、靈敏性以及抗干擾能力等問題還未得到完全解決，且電力用戶需要更為直接的狀態(tài)參數(shù)。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，獲取GIS 運(yùn)行的狀態(tài)參量又有了新的手段，筆者提出了為用戶提供更為直接的狀態(tài)因子溫度的紅外監(jiān)測方法。向外發(fā)射出能量，這種能量叫做輻射能。波長在0.7640m 的紅外線短波部分電磁波熱效應(yīng)最明顯。普朗克定律反映了不同溫度下的光譜輻射出度·M b W/（m 2m ）隨波長的分布規(guī)律（1）M b C 1-5exp （C ）11k T式（1）中，k

7、 為波爾茲曼常數(shù)，k =1.3807×10-23J ·K -1；為波長，m ；T 為黑體的熱力學(xué)溫度，K ；C 1為普朗克第1常數(shù)，C 1=3.743×108W ·m 4/m2；C 2為普朗克第2常數(shù)，C 2=14388m ·K 。圖1所示的普朗克曲線顯示出溫度不變情況下黑體光譜輻射出度隨波長變化很大，極大值隨著溫度增加向短波方向移動(dòng)，這就是著名的維恩位移定律（2）m T 2897.6根據(jù)GB 763規(guī)定，GIS 導(dǎo)體最高溫度為378K ，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體最大光譜射出度的波長是7.66m ?；鶢柣舴蚨芍赋觯魏挝矬w的積分輻射出度與其吸收率之比值M

8、/恒等于同溫度下黑體的積分輻射出度M b1被測對(duì)象的紅外輻射特點(diǎn)及測溫原理任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)以電磁波的形式收稿日期：2008-10-31；修回日期：2009-01-13作者簡介：武勝斌（1978），男，碩士，助理工程師，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)研究及高壓GIS 設(shè)計(jì)工作。2009年8月0.081573K ）m 2·0.06m 523K W ·（/度0.04出473K 射輻0.02423K譜光373 K 323K 051015波長/m 圖1普朗克曲線M /=M b 或=（3）所以GIS 中任何被測對(duì)象的發(fā)射率也等于吸收率。特別是傳播媒質(zhì)對(duì)紅外的吸收與發(fā)射將影響測溫的數(shù)

9、值與精度。由于全輻射和亮度測溫法的測溫精度受物體發(fā)射率的影響很大3，為了減少物體發(fā)射率的影響，目前測溫精度高的測溫儀主要采用雙波長測溫法。雙波長測溫法是通過測量給定波長1和2的輻射功率之比，用比色測溫法來確定物體的溫度。雙波長測溫儀有兩個(gè)通道，分別輸出兩個(gè)波長對(duì)應(yīng)的輻射信號(hào)，兩個(gè)通道的輸出信號(hào)可分別表示為C U 11=K 111·e （4）C 2U 2=K 222·e 2（5）式（4）、（5）中，K 1、K 2為各個(gè)通道的儀表常數(shù)，C 2為普朗克第2常數(shù)。兩個(gè)通道的信號(hào)比值R 應(yīng)為1+乙1/2K 1M （，T ）d R =11/222（6）乙K 2M （，T ）d 22/2

10、由式（6）可知，比值R 與溫度T 及參數(shù)1、1和2、2有關(guān)，因此測溫時(shí)應(yīng)選擇合適的工作波長。2GIS 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖2為某公司的GIS 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)平面圖，結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但從溫度監(jiān)測角度來說都有共同的特點(diǎn)，導(dǎo)體通過絕緣支撐件與殼體相連，導(dǎo)體與殼體之間充滿了SF 6氣體。導(dǎo)體處在高電位，且電場強(qiáng)度高，殼體處于地電位，正是因?yàn)镚IS 的這種結(jié)構(gòu)使得接觸測溫法很難實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以往GIS 出現(xiàn)事故的原因分析，溫升過高主要出現(xiàn)在導(dǎo)體的連接部位，發(fā)生事故多是因?yàn)槟撤N原因?qū)е碌慕佑|電阻過大，連接部位溫升過高而引發(fā)的。因此希望能夠適時(shí)監(jiān)測連接部位尤其是活動(dòng)連接部位的溫度信息。正是因?yàn)榻佑|電阻發(fā)生變化引起導(dǎo)體的溫度升高

11、，可以通過監(jiān)測導(dǎo)第45卷第4 期·101·體的溫度來判定連接部位是否工作正常。BUSESVIDSDSBUSHSESCT CBCH dCTCBOPERATING DS/ESBOX圖2GIS 結(jié)構(gòu)平面圖GIS 中拋光的導(dǎo)體外表面粗糙度算術(shù)平均偏差上限值為6.3m ，因?yàn)榻饘俦砻娲植诙冉档头瓷渎蕦⒃黾?，吸收率將隨之降低，根據(jù)公式（3）可知表面發(fā)射率也會(huì)降低。對(duì)于紅外測溫希望導(dǎo)體的紅外發(fā)射率大，這就要求表面粗糙度大，表面粗糙度的增加將導(dǎo)致SF 6絕緣能力下降，因此不可能通過降低表面光潔度來提高導(dǎo)體的表面發(fā)射率。GB 763規(guī)定環(huán)境溫度最高為40，GIS 中導(dǎo)體連接部位最高溫升為65

12、，即允許最高運(yùn)行溫度為105，拋光的金屬鋁導(dǎo)體表面的發(fā)射率在100時(shí)約為0.05。3傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)單純SF 6氣體熱穩(wěn)定性高，加熱到500時(shí)不會(huì)分解。SF 6與絕緣物接觸時(shí)，加熱到160200就分解，有水分存在時(shí)能加速分解，因此IEC 規(guī)定SF 6產(chǎn)品使用最高溫度為180。在導(dǎo)體到測溫儀之間起絕緣作用的是SF 6氣體，紅外光要穿過SF 6氣體才能到達(dá)測溫儀，作為溫室氣體的SF 6排放受到世界的嚴(yán)格限定，因?yàn)樗鼘?duì)紅外光能的吸收效果非常明顯，在GIS 中SF 6是作為傳輸介質(zhì)，SF 6紅外光譜圖見圖3。SF 6雖然是溫室氣體，但成分單一，與大氣的復(fù)雜成分相比，它的吸收光譜也比較簡單。從圖3中可以看

13、出，SF 6氣體在紅外有一個(gè)以波長10.56m 為中心的吸收帶，對(duì)應(yīng)的波數(shù)為947cm -1。說明SF 6氣體在此頻率帶內(nèi)吸收和輻射能力都很強(qiáng)。300020001000波數(shù)/cm1圖3SF 6氣體紅外光譜圖（NIST2001）4導(dǎo)體紅外測溫的實(shí)現(xiàn)通常GIS 內(nèi)部導(dǎo)體連接部位在額定電流作用下的溫度為100左右，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后GIS 殼體壁面的溫度為50左右。殼體內(nèi)表面涂有環(huán)氧底漆，發(fā)射率可達(dá)0.9左右。當(dāng)導(dǎo)體光潔表面發(fā)射率為0.05時(shí)，反射率為0.95左右。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，導(dǎo)體接觸部位單位面積固有輻射與反射輻射的比值M 0.05××3734（）0.104（7）ref 可

14、見導(dǎo)體自身固有的輻射只有反射輻射的十分之一，因此如果采用全波段測溫法得到的將不再是被測導(dǎo)體的溫度，要測量導(dǎo)體連接部位的溫度必須提高被測點(diǎn)的發(fā)射率，這也正是專業(yè)從事在線監(jiān)測人員很難開展GIS 內(nèi)部導(dǎo)體溫度紅外監(jiān)測的原因。拋光金屬表面的發(fā)射率是很低的，所以要大幅提高發(fā)射率必須對(duì)金屬表面進(jìn)行處理，但由于SF 6氣體的絕緣性能與導(dǎo)體表面粗糙度關(guān)系密切，因此非設(shè)計(jì)工作者無法完成表面的處理工作，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)考慮設(shè)備的狀態(tài)維護(hù)性能，為紅外溫度檢測提供接口。對(duì)表面進(jìn)行處理是為了提高發(fā)射率，表面處理后不得影響GIS 內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境。這里可以采用在觸座上開圓孔槽，在槽底嵌入SF 6環(huán)境下的高穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)且高

15、輻射率的物質(zhì)，這種嵌入其他物質(zhì)的方式將不受金屬鋁的限制，有更大的替代材料空間，從而將對(duì)鋁導(dǎo)體的紅外測溫轉(zhuǎn)化為對(duì)普通材料溫度的紅外測量。絕大多數(shù)純金屬表面的發(fā)射率都很低，絕大多數(shù)非金屬材料發(fā)射率都很高；非金屬材料尤其是多晶陶瓷，發(fā)射率受表面粗糙度的影響較小或無關(guān)，對(duì)于金屬材料，表面粗糙度將對(duì)反射率產(chǎn)生較大的影響；絕大多數(shù)純金屬的發(fā)射率近似地隨開氏溫度的增大成比例增大，比例系數(shù)與金屬電阻率有關(guān)4。因此，通常應(yīng)選擇多晶陶瓷作為穩(wěn)定的紅外發(fā)射源。根據(jù)式（8）可知，如果采用雙波長比色測溫法，由于頻帶很窄，帶寬主要取決于光學(xué)系統(tǒng)的濾波性能，因此如果選擇波長10.56m 為中心的頻帶，可知測量的信號(hào)將是SF

16、 6氣體自身的固有輻射，而非來自原輻射源的輻射。由于SF 6氣體的紅外特性，對(duì)紅外測溫儀的選擇上要避開對(duì)應(yīng)的吸收帶。常用的紅外探測器主要有HgCdTe （813m ）探測器、HgCdTe （69m ）探測器、InSb （25m ）探測器，為了避開SF 6吸收帶，同時(shí)考慮到通常連接部位的溫度在300380K ，所對(duì)應(yīng)的能量集中為6.59.5m ，因此選擇HgCdTe （69m ）探測器。在開發(fā)產(chǎn)品的過程中，設(shè)計(jì)者對(duì)可能出現(xiàn)的由于電接觸而導(dǎo)致的溫升過高點(diǎn)非常清楚，這些點(diǎn)的溫度關(guān)系到電力運(yùn)行的可靠性，因此電力用戶最關(guān)心這些點(diǎn)的溫度。前面的討論知道要適時(shí)監(jiān)測關(guān)鍵部位的溫度，需要在導(dǎo)體上嵌入多晶陶瓷作為

17、紅外發(fā)射源。多晶陶瓷面積大小的選取，主要由測溫儀的距離系數(shù)決定，距離系數(shù)=L /D ，見圖4。比如選用1201，那么600mm 處最小的監(jiān)測直徑為5mm ，目前很多測溫儀的距離系數(shù)為2001，因此如果嵌入直徑為10mm 的多晶陶瓷完全滿足點(diǎn)式測溫儀的測溫需要。D最小距離L圖4距離系數(shù)示意圖GIS 特征導(dǎo)體測溫模型見圖5。由于是嵌入方式，圓形槽和鑲嵌的多晶陶瓷并不影響GIS 的絕緣強(qiáng)度，且多晶陶瓷穩(wěn)定，不與SF 6氣體反應(yīng)。緊固螺栓裝配密封鏡O 型密封圈彈簧觸座多晶陶瓷點(diǎn)式紅外測溫儀圖5GIS 特征導(dǎo)體測溫模型根據(jù)GIS 運(yùn)行可靠性要求，在GIS 運(yùn)行過程中應(yīng)保證更換紅外測溫儀不影響GIS 的運(yùn)

18、行，在22時(shí)光滑玻璃表面反射率可以小到0.04，玻璃經(jīng)過鋼化處理后抗壓強(qiáng)度最大可以達(dá)到125MPa ，GIS 中斷路器殼體設(shè)計(jì)壓力最大為0.8MPa ，取鑄件破壞壓力系數(shù)為5，選擇承受4MPa 以上壓強(qiáng)，受壓面直徑為10mm 的圓形鋼化玻璃可滿足密封鏡要求，此鋼化玻璃作為密封鏡以防薄膜的方式裝在殼體法蘭上，如圖5所示，密封鏡與法蘭之間通過密封圈進(jìn)行密封，在法蘭上方為連接紅外測溫儀的接口。密封鏡上方為帶有安裝紅外測溫儀螺紋的擋板，這樣在運(yùn)行過程中安裝與更換紅外測溫儀都極為方便。5結(jié)語筆者提出了采用紅外測溫儀對(duì)GIS 的內(nèi)部導(dǎo)體，特別是對(duì)導(dǎo)體活動(dòng)連接部位進(jìn)行溫度在線監(jiān)測（下轉(zhuǎn)第110頁）率，方便設(shè)

19、備的維護(hù)和更新，減少變電站壽命周期內(nèi)的總體成本。Society General Meeting ，2004：714-718. 3STEINHAUSER F.New Challenges with Substations Utilizing Communication NetworksC/PowerTech. Conference Proceed -ings ，Bologna ，2003：225-229. 4SHEPHARD B ，JANSSEN M C ，SCHUBERT M.Standardised Communications in Substations C /Developments

20、in Power System Protection ，2001，Seventh International Conference on IEE ，Amsterdam ，2002：543-547. 56李紅斌，余春雨. 電子式互感器數(shù)字輸出的研究J.高電壓技術(shù)，2004，30（2）：10-12.殷志良，劉萬順，楊奇遜，等. 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的采樣值傳輸模型構(gòu)建及映射實(shí)現(xiàn)J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（21）：38-5結(jié)語電子式互感器的誕生是互感器傳感準(zhǔn)確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。電子式電流互感器是電網(wǎng)動(dòng)態(tài)觀測、提高繼電保護(hù)可靠性和數(shù)字電力系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)裝備，將

21、在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要的基礎(chǔ)測量作用。隨著微機(jī)保護(hù)的廣泛應(yīng)用，二次保護(hù)設(shè)備不再需要高功率的輸出信號(hào)。電子式互感器以其高精度、高可靠性、寬頻帶等特點(diǎn)和在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)的優(yōu)良特性表明：ETA/ETV 完全能夠適應(yīng)電力計(jì)量和繼電保護(hù)數(shù)字化、自動(dòng)化的發(fā)展潮流，并將成為未來互感器發(fā)展的主流方向。42. 78910黃智宇，段雄英，張可畏，等. 電子式高壓互感器數(shù)字接口的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（11）：87-90.段雄英，鄒積巖. 小波變換在電子式電力互感器誤差校正中的應(yīng)用J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17（6）：93-96. 錢政，梅志剛，羅承沐. 電子式互感器中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與

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24、 Instrumenta -tion and Measurement ，2000，49（6）：60-65.! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !41! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !（上接第102頁）的方法，從而為電力用戶獲取更為直接的溫度參數(shù)提供了新的途徑；分析了GIS 紅外溫度監(jiān)測的特點(diǎn)，有效地克服了GIS