CN103592033A - 一种用于在线监测gis罐体内部隔离开关触头温升的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，利用红外传感器接受温升部位发射的红外线，并将红外线能量转变为电信号，经过放大器、信号处理电路和AD转换电路，转变为隔离开关触头的辐射功率，再通过斯蒂芬-波尔兹曼定律，计算出隔离开关触头的绝对温度，最后对绝对温度再进行修正，得到准确的隔离开关触头绝对温度。本发明用于在带电运行情况下，实时监测GIS内部隔离开关触头温升，避免事故的发生。

Description

一种用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法

技术领域

本发明涉及一种监测方法，具体讲涉及一种用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法。

背景技术

任何高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外发射出能量，这种能量叫做辐射能，波长在0.76～40μm的红外线短波部分电磁波热效应最明显。因此可以利用红外传感器，接受发热部位发出的红外线来测量温升部位温度。

行业内目前已有用于GIS测温方法主要有通过对GIS导体局部材料进行改造，提高导体表面的发射率，再利用红外传感器接受红外线测量温度，但此方法对GIS改造成本相当大，且对已投入运行的GIS并不适用；另外也有通过光纤光栅测量GIS母线导体温度，该方法会对GIS内部电场分布带来一定影响，且光纤的布置安装和使用寿命都存在未能解决的问题。

与常规电器相比，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）在结构性能上具有占地面积小、可靠性高、维护量少以及使用寿命长等优点，目前已在国内外电力系统中广泛应用。调研显示，由于工厂组装、现场安装以及交接验收等各个环节质量控制不严格，GIS设备内部导体插接部位因接触不良等造成的过热甚至烧毁故障，严重影响了电网供电可靠性。

国际上，ABB公司用石英温度传感器对开关柜母线温升进行实时监测，美国LUXTRON公司通过光纤传感器测量荧光的衰减率，进而测量温度，但尚未应用于开关设备上。我国的一些厂家和高校研究了利用热敏电阻、光纤传感器等方法测温，主要应用于高压开关柜。但由于GIS是全封闭设备，预埋热敏电阻或光纤传感器后其内部绝缘性能，光纤引出接口的密封方式以及传感器使用寿命等存在许多尚难以解决的技术难题，使得上述方法均未能在GIS设备中实现现场应用。

行业内目前已有用于GIS测温方法主要有通过对GIS导体局部材料进行改造，提高导体表面的发射率，再利用红外传感器接受红外线测量温度，但此方法对GIS改造成本相当大，且对已投入运行的GIS并不适用；另外也有通过光纤光栅测量GIS母线导体温度，该方法为接触式测温，对GIS的内部绝缘强度和开断性能都会带来一定影响，且光纤的布置安装和使用寿命都存在未能解决的问题。同时以上方法都针对GIS母线导体的监测，没有针对温升问题较多的隔离开关触头温升监测。

GIS负载电流过大、连接部件松动、开关合闸不到位或触头磨损等均可能造成导电部件温升过高，导致绝缘部件性能降低，从而产生放电以致出现主绝缘击穿，造成设备损坏和用户停电的重大事故。

例如：导体插接处发热，在正常运行时，高压电器导电回路长期通过工作电流产生的能量转变为热能，使电器材料温度升高，一般不会超出规定范围；但导电回路一旦发生接触不可靠时，会使电器材料温度升高超出规定范围，而使电器材料的机械强度、物理性能等下降。插接处有一个接触电阻，当电流流过时，由于接触电阻的存在，要引起该处发热，如果该处的温度超过规定值，则会加速该接触处氧化，氧化结果又会导致接触电阻上升，这样又促使发热加大，温度升高，造成故障。

又例如：触头连接位置发热，由于触头接触面氧化、脏污；设备的安装、对中工艺不好；设备质量存在问题；负荷加大的影响；电力谐波的影响等原因，引起触头连接处温度升高。

鉴于以上考虑，迫切需要研制一种用于在线监测GIS内部隔离开关触头温升的方法，用于在带电运行情况下，实时监测GIS内部隔离开关触头插接位置的温升，避免事故的发生。

由于GIS是全封闭设备，无法通过常规测温装置对导电部件的温度进行检测，装配过程对中不准确等问题经常导致隔离开关触头温升，此故障也为隔离开关的主要故障之一。但之前对GIS内部温升监测的研究很少，仅有针对母线导体发热监测的研究。因此，研究GIS内部隔离开关触头温度在线监测具有很大的创新性，且对于发现GIS内部过热现象具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，利用红外传感器接受温升部位发射的红外线，并将红外线能量转变为电信号，经过放大器、信号处理电路和AD转换电路，转变为隔离开关触头的辐射功率，再通过斯蒂芬-波尔兹曼定律，计算出隔离开关触头的绝对温度，最后对绝对温度再进行修正，得到准确的隔离开关触头绝对温度。本发明用于在带电运行情况下，实时监测GIS内部隔离开关触头温升，避免事故的发生。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，包括以下步骤：

步骤1：确定GIS罐体内部隔离开关触头的发射率；

步骤2：监测所述隔离开关触头的辐射功率，并计算隔离开关触头的绝对温度；

步骤3：修正隔离开关触头的绝对温度。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：将接触式感温传感器的发射率线调整为1；

步骤1-2：将所述隔离开关触头保持为恒温状态，并将所述接触式感温传感器贴在所述隔离开关触头上；

步骤1-3：采用所述接触式感温传感器测出隔离开关触头的温度标准值T_{温度标准值}；

步骤1-4：采用红外测温仪测出隔离开关触头当前的温度实测值T_{温度实测值}；

步骤1-5：计算所述隔离开关触头的发射率，发射率用ε表示，有：

所述步骤2中，采样红外传感器监测所述隔离开关触头的辐射功率，具体包括以下步骤：

步骤2-1：给GIS罐体安装红外玻璃；

步骤2-2：所述隔离开关触头发射的红外线穿过所述红外玻璃进入所述红外传感器；

步骤2-3：所述红外传感器监测所述隔离开关触头的辐射功率；

步骤2-4：计算隔离开关触头的绝对温度。

所述红外玻璃采用硫系红外玻璃。

所述步骤2-3中，所述红外传感器将红外线转换为电信号，所述电信号经过放大器和信号处理电路，并经过AD转换为所述隔离开关触头的辐射功率。

所述红外传感器距离隔离开关触头的距离大于GIS罐体内壁距离隔离开关触头的距离。

所述步骤2-4中，所述红外传感器中的微处理芯片依据斯蒂芬-波尔兹曼定律计算隔离开关触头的绝对温度，有：

E＝εσT⁴                  （2）

其中，T为隔离开关触头的绝对温度，E为隔离开关触头的辐射功率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。

所述步骤3中，通过参数拟合的方法对计算出隔离开关触头的绝对温度T进行修正，以得出最终的隔离开关触头温度监测值。

所述GIS罐体采用的材料是0Cr13Al，其用碳含量为0.075%、硅含量为0.94%、锰含量为0.97%、磷含量为0.035%、硫含量为0.025%、铬含量为14.0%、余量为铁的合金制备，所述的百分数为重量百分数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）利用此方法可不对GIS内部进行任何改造，检测方法安全可靠；

（2）可通过调整红外传感器距离被测温部位的距离、角度以及后台软件的拟合算法提高测量精度，且适用于不同结构的GIS设备；

（3）利用此方法可实现在线监测GIS设备内部隔离开关触头插接部位的发热缺陷；

（4）用于在带电运行情况下，实时监测GIS内部隔离开关触头温升，避免事故的发生。

附图说明

图1是用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法流程图；

图2是通过红外传感器监测隔离开关触头的辐射功率示意图；

图3是红外传感器与GIS罐体安装结构示意图；

其中，1-金属法兰，2-红外传感器，3-红外玻璃，4-隔离开关触头插接位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，包括以下步骤：

步骤1：确定GIS罐体内部隔离开关触头的发射率；

步骤2：监测所述隔离开关触头的辐射功率，并计算隔离开关触头的绝对温度；

步骤3：修正隔离开关触头的绝对温度。

隔离开关触头的发射率是隔离开关触头相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关外，还与测试的方向有关。若隔离开关触头为光洁表面时，其方向性更为敏感。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：将接触式感温传感器的发射率线调整为1；

步骤1-2：将所述隔离开关触头保持为恒温状态，并将所述接触式感温传感器贴在所述隔离开关触头上；

步骤1-3：采用所述接触式感温传感器测出隔离开关触头的温度标准值T_{温度标准值}；

步骤1-4：采用红外测温仪测出隔离开关触头当前的温度实测值T_{温度实测值}；

步骤1-5：计算所述隔离开关触头的发射率，发射率用ε表示，有：

所述步骤2中，采样红外传感器监测所述隔离开关触头的辐射功率，具体包括以下步骤：

步骤2-1：给GIS罐体安装红外玻璃；

所述红外玻璃采用硫系红外玻璃，其对1～17μm的红外波段具有良好的透过性能，完全满足GIS红外测温要求（电力设备的绝对温度范围为273K～473K，在此范围内，红外峰值波长为6.13～10.61μm）。

步骤2-2：所述隔离开关触头发射的红外线穿过所述红外玻璃进入所述红外传感器；

步骤2-3：所述红外传感器监测所述隔离开关触头的辐射功率；

步骤2-4：计算隔离开关触头的绝对温度。

所述步骤2-3中，所述红外传感器将红外线转换为电信号，所述电信号经过放大器和信号处理电路，并经过AD转换为所述隔离开关触头的辐射功率。

所述红外传感器距离隔离开关触头的距离大于GIS罐体内壁距离隔离开关触头的距离。

所述步骤2-4中，所述红外传感器中的微处理芯片依据斯蒂芬-波尔兹曼定律计算隔离开关触头的绝对温度，有：

E＝εσT⁴                     （2）

其中，T为隔离开关触头的绝对温度，E为隔离开关触头的辐射功率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，取为5.67×10^-8W/（m²·K⁴）。

由于GIS设备在运行过程中内部充入一定压力的SF₆气体，因此，红外线会经过SF₆气体环境后进入感温传感器。实验证明，不同温度区间此感温系统测量的部位温升误差各不相同，这与GIS内部的SF₆气体环境有关。通过参数拟合的方法对计算出隔离开关触头的绝对温度T进行修正，以得出最终的隔离开关触头温度监测值。

所述GIS罐体采用的材料是0Cr13Al，其用碳含量为0.075%、硅含量为0.94%、锰含量为0.97%、磷含量为0.035%、硫含量为0.025%、铬含量为14.0%、余量为铁的合金制备，所述的百分数为重量百分数。GIS罐体还可采用铝质材料制成。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定GIS罐体内部隔离开关触头的发射率；

步骤2：监测所述隔离开关触头的辐射功率，并计算隔离开关触头的绝对温度；

步骤3：修正隔离开关触头的绝对温度。

2.根据权利要求1所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：将接触式感温传感器的发射率线调整为1；

步骤1-2：将所述隔离开关触头保持为恒温状态，并将所述接触式感温传感器贴在所述隔离开关触头上；

步骤1-3：采用所述接触式感温传感器测出隔离开关触头的温度标准值T_{温度标准值}；

步骤1-4：采用红外测温仪测出隔离开关触头当前的温度实测值T_{温度实测值}；

步骤1-5：计算所述隔离开关触头的发射率，发射率用ε表示，有：

3.根据权利要求2所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述步骤2中，采样红外传感器监测所述隔离开关触头的辐射功率，具体包括以下步骤：

步骤2-1：给GIS罐体安装红外玻璃；

步骤2-2：所述隔离开关触头发射的红外线穿过所述红外玻璃进入所述红外传感器；

步骤2-3：所述红外传感器监测所述隔离开关触头的辐射功率；

步骤2-4：计算隔离开关触头的绝对温度。

4.根据权利要求3所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述红外玻璃采用硫系红外玻璃。

5.根据权利要求3所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述步骤2-3中，所述红外传感器将红外线转换为电信号，所述电信号经过放大器和信号处理电路，并经过AD转换为所述隔离开关触头的辐射功率。

6.根据权利要求5所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述红外传感器距离隔离开关触头的距离大于GIS罐体内壁距离隔离开关触头的距离。

7.根据权利要求3所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述步骤2-4中，所述红外传感器中的微处理芯片依据斯蒂芬-波尔兹曼定律计算隔离开关触头的绝对温度，有：

E＝εσT⁴                 （2）

其中，T为隔离开关触头的绝对温度，E为隔离开关触头的辐射功率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。

8.根据权利要求7所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述步骤3中，通过参数拟合的方法对计算出隔离开关触头的绝对温度T进行修正，以得出最终的隔离开关触头温度监测值。

9.根据权利要求6所述的用于在线监测GIS罐体内部隔离开关触头温升的方法，其特征在于：所述GIS罐体采用的材料是0Cr13Al，其用碳含量为0.075%、硅含量为0.94%、锰含量为0.97%、磷含量为0.035%、硫含量为0.025%、铬含量为14.0%、余量为铁的合金制备，所述的百分数为重量百分数。

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