CN107561397A - Gis触头系统的电接触状态检测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GIS触头系统的电接触状态检测方法和系统。上述GIS触头系统的电接触状态检测方法包括：根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升；若所述外壳温升处于故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触故障；若所述外壳温升处于非故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触非故障。其提高了GIS触头系统电接触状态检测的实时性，可以在GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备的运行过程中进行相应的电接触状态检测，以便在检测到GIS触头系统电接触故障时，及时采取相应的处理措施，保证了上述气体绝缘金属封闭开关设备运行过程中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种GIS触头系统的电接触状态检测方法和系统。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关设备GIS是电力系统中的重要设备，它将断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压互感器、避雷器和连接母线等封闭在金属壳内，充以具有优异灭弧和绝缘性能的SF6气体，作为相间和对地绝缘。GIS中的隔离开关和断路器常常由于触头接触不良造成故障，严重影响到电力系统的安全稳定运行。
GIS触头系统电接触状态的评估是一个物理、材料、电磁、传热等多学科交叉的科学问题，随着操作次数的增多，GIS触头系统会出现触指接触不均、偏心等问题，导致触头镀银层接触不良，接触电阻会剧增，进而会导致开关发热严重，甚至会出现误跳闸事故。传统方案在对GIS触头系统进行电接触状态检测时需要停止去所在气体绝缘金属封闭开关设备的工作，容易影响上述气体绝缘金属封闭开关设备的正常工作，导致GIS触头系统电接触状态检测的实时性差。
发明内容
基于此，有必要针对传统方案容易导致GIS触头系统电接触状态检测的实时性差的技术问题，提供一种GIS触头系统的电接触状态检测方法和系统。
一种GIS触头系统的电接触状态检测方法，包括如下步骤：
根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升；
若所述外壳温升处于故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触故障；
若所述外壳温升处于非故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触非故障。
一种GIS触头系统的电接触状态检测系统，包括：
确定模块，用于根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升；
第一判定模块，用于若所述外壳温升处于故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触故障；
第二判定模块，用于若所述外壳温升处于非故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触非故障。
上述GIS触头系统的电接触状态检测方法和系统，可以实时检测GIS触头系统的外壳温升，识别所述外壳温升处于故障温升段，或者非故障温升段，从而判定所述GIS触头系统的电接触故障或者电接触非故障，实现对GIS触头系统电接触状态的检测，提高了GIS触头系统电接触状态检测的实时性，可以在GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备的运行过程中进行相应的电接触状态检测，以便在检测到GIS触头系统电接触故障时，及时采取相应的处理措施，保证了上述气体绝缘金属封闭开关设备运行过程中的安全性。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法。
上述计算机可读存储介质上存储的计算机程序，被处理器执行时可以实现如上所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，能够提高GIS触头系统电接触状态检测的实时性。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法。
上述计算机设备中，处理器执行所述程序时可以实现如上所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，有效提高了GIS触头系统电接触状态检测的实时性，还可以进一步保证上述GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备运行过程中的安全性。
附图说明
图1为一个实施例的GIS触头系统的电接触状态检测方法流程图；
图2为一个实施例的环境温度为10℃电接触正常时温度场和气流场的计算结果示意图；
图3为一个实施例的环境温度为10℃电接触故障时温度场和气流场的计算结果示意图；
图4为一个实施例的环境温度为30℃电接触正常时温度场和气流场的计算结果示意图；
图5为一个实施例的环境温度为30℃电接触故障时温度场和气流场的计算结果示意图；
图6为一个实施例的不同环境温度下正常和故障电接触状态时的外壳某点温升的对比示意图；
图7为一个实施例的GIS触头系统的电接触状态检测系统结构示意图；
图8为一个实施例的计算机设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的GIS触头系统的电接触状态检测方法和系统的具体实施方式作详细描述。
参考图1，图1所示为一个实施例的GIS触头系统的电接触状态检测方法流程图，包括如下步骤：
S10，根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升；
上述步骤可以获取GIS触头系统当前所在的环境温度，以及GIS触头系统的实时外壳温度，具体可以通过相关温度传感器(如精度为±0.3K的Pt100铂电阻温度传感器)等温度测量仪器测量GIS触头系统当前所在的环境温度，以及GIS触头系统的实时外壳温度，根据上述实时外壳温度和环境温度实时检测GIS外壳的温升数据。可选地，可以根据实时外壳温度和环境温度之差确定GIS触头系统的外壳温升。
S20，若所述外壳温升处于故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触故障；
S30，若所述外壳温升处于非故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触非故障。
本实施例可以根据GIS触头系统的温度场等温度分布特性构建GIS故障检测程序，使GIS故障检测程序可以记录并输出GIS触头系统工作时的故障温升段和非故障温升段，实现GIS触头系统电接触状态的检测。
通过温度传感器实时检测GIS外壳的温升，并对上述温升数据进行处理，补偿环境温度的影响，在线检测电接触的状态，一旦发生异常(GIS触头系统的电接触故障)，及时对GIS设备进行检修维护，整个的检测过程无需停机。
本实施例提供的GIS触头系统的电接触状态检测方法，可以实时检测GIS触头系统的外壳温升，识别所述外壳温升处于故障温升段，或者非故障温升段，从而判定所述GIS触头系统的电接触故障或者电接触非故障，实现对GIS触头系统电接触状态的检测，提高了GIS触头系统电接触状态检测的实时性，可以在GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备的运行过程中进行相应的电接触状态检测，以便在检测到GIS触头系统电接触故障时，及时采取相应的处理措施，保证了上述气体绝缘金属封闭开关设备运行过程中的安全性。
在一个实施例中，上述根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升的过程之前，还可以包括：
获取GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗；
将所述欧姆损耗输入GIS触头系统的守恒方程组计算得到GIS触头系统的温度分布特性；其中，所述守恒方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；
根据所述温度分布特性构建GIS触头系统的GIS故障检测程序，根据所述GIS故障检测程序识别所述GIS触头系统的故障温升段和非故障温升段。
本实施例可以通过流体分析软件Fluent来求解温度场，获得GIS触头系统的温度分布特性；其原理是求解气流场方程组(守恒方程组)。上述气流场方程可以包括质量、动量、能量三个方程或方程组，用于计算GIS的热传递，求解方程后得到GIS的温度分布。在动量方程中可以增加浮力源因素的影响，从而考虑了气体浮力对气流场仿真计算的影响。在能量方程中，除了将在Maxwell(麦克斯韦)计算的欧姆损耗导入到Fluent中的源项外，还可以添加辐射源项，考虑了辐射对GIS温升仿真的影响。
具体的，可以通过分段电阻测量实验获得各段导体的电阻和GIS触头系统的接触电阻的大小。将弹簧触指的螺旋结构和梅花触指的不连续的触点结构均简化为圆环实体用以考虑接触电阻与接触热阻。再采用软件ANSYS Workbench的电磁场分析模块Maxwell进行涡流场分析，考虑涡流效应和集肤效应，获取整个GIS触头系统的欧姆损耗。进而将随坐标变化的欧姆损耗数据导入ANSYS Workbench的流体分析软件Fluent模块进行求解，在考虑热传导、热对流和热辐射等因素的基础上，确定了GIS触头系统的温度分布特性。从而依据上述温度分布特性计算正常电接触和故障电接触时GIS的温度场和气流场的分布，从而得到正常和故障时的GIS外壳温升数据。根据计算结果编写相关程序(GIS故障检测程序)，补偿环境温度对外壳温升造成的影响，根据正常状态和故障状态时GIS的外壳温升的差异，从外壳的温升可以判断出电接触是正常状态(非故障状态)还是故障状态，实现以外壳温升对GIS电接触状态的检测。
在一个实施例中，上述质量守恒方程可以为：
式中，ρ表示GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备内的气体密度，表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体流速，t表示时间单位，▽表示哈密顿算子。
GIS触头系统的质量守恒方程可以表征单位时间内微单元体质量的增加等于对应时间内流入该微单元体的静质量，用于描述从牛顿流体到非流动流体的多种流动现象。
作为一个实施例，上述动量守恒方程可以包括：
式中，ρ表示GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备内的气体密度，表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体流速，t表示时间单位，▽表示哈密顿算子，x、y和z分别表示GIS触头系统所在坐标系的坐标分量，u表示x坐标分量对应的气体速度分量，u表示y坐标分量对应的气体速度分量，w表示z坐标分量对应的气体速度分量，P表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体压力，λ表示GIS触头系统的导热系数，μ表示GIS触头系统的粘度，g表示重力加速度，ρref表示GIS触头系统当前所在环境的空气密度。
GIS触头系统的动量守恒方程可以表征微单元体中动量对时间的变化等于外界作用在该微单元体的各种力之和。在进行温升仿真过程中，可以忽略静态气压梯度力，利用Boussinesq近似来考虑浮力，x方向(重力方向)动量方程中可以添加随密度变化的源项-(ρ-ρref)·g。
作为一个实施例，上述能量守恒方程可以为：
式中，ρ表示GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备内的气体密度，表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体流速，t表示时间单位，▽表示哈密顿算子，H表示GIS触头系统的动态焓，λ表示GIS触头系统的导热系数，T表示GIS触头系统当前所在环境的温度，P表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体压力，V表示粘性耗散函数，SR表示GIS触头系统的辐射分量，σ表示GIS触头系统的电导率，表示GIS触头系统的电流密度矢量，表示GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗。
GIS触头系统的能量守恒方程可以表征体力与面力对微单元所做的功和微单元体的静热流量之和等于该微单元体能量的增加率。在能量方程(能量守恒方程)中，通过坐标插值方式将在Maxwell中仿真计算的欧姆损耗源项导入到Fluent中；除此之外，还可以加入辐射分量SR，热辐射模型采用的是离散坐标辐射(DO)辐射模型。
本实施例首先得到GIS触头系统的欧姆损耗，然后可以计算得到电接触正常和故障时的温度分布特性，获取外壳的温升数据，编写相关程序，补偿环境温度对外壳温升造成的影响，从外壳的温升可以判断出电接触是正常状态还是故障状态，实现以外壳温升对GIS电接触状态的监控。在实际运行时，可以通过实时地检测外壳的温升数据，根据上述外壳的温升数据与GIS故障检测程序即可判断GIS触头系统电接触的状态。
在一个实施例中，上述获取GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗的过程可以包括：
获取GIS触头系统对应的导磁率和电导率；
将所述导磁率和电导率输入麦克斯韦方程组计算GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗。
上述GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗可以在电磁场分析软件Maxwell中进行，欧姆损耗分布计算主要求解似稳电磁场。将GIS各部件的材料属性和边界条件(如自由电荷密度、导磁率和电导率等)导入电磁场分析软件Maxwell之后，利用软件中的涡流求解器即可计算得到导体和外壳的欧姆损耗分布(GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗)。其计算原理为通过求解简化的麦克斯韦方程组来得到电磁场的各个参数。
作为一个实施例，上述麦克斯韦方程组可以为：
式中，为GIS触头系统的磁场强度矢量，为GIS触头系统的电位移矢量，为GIS触头系统的电流密度矢量，为GIS触头系统的电场强度矢量，为GIS触头系统的磁感应强度矢量，t为时间单位，μ为GIS触头系统的导磁率，σ为GIS触头系统的电导率，▽为哈密顿算子，Q为GIS触头系统的欧姆损耗。
本实施例可以Maxwell电磁场分析软件内的麦克斯韦方程组即可求解得到上述各个参数(如Q、等)，将得到的欧姆损耗作为发热源导入GIS触头系统的守恒方程组进行GIS触头系统温度分布特性的计算。
作为一个实施例，还可以对GIS触头系统的电阻率与热导率进行相应的计算。可以将GIS设备(气体绝缘金属封闭开关设备)中的电接触简化为圆环实体，其电阻率与热导率分别通过求解电阻公式与魏德曼弗朗兹公式获得，以用于后续欧姆损耗的计算。
上述电阻公式为：
上述魏德曼弗朗兹公式为：
式中，ρe表示电阻率，λc表示热导率，Re表示实验测得的GIS触头系统接触电阻；s和l分别表示GIS触头系统中电接触圆环的横截面积与高度；L表示洛伦兹系数,其值取2.4E-8(V/K)2；T表示GIS触头系统当前所在环境的温度(热力学温度)。
在一个实施例中，可以以110kV三相共箱式GIS中单相断路器为例，采用上述GIS触头系统的电接触状态检测方法，同时考虑环境温度的影响，在环境温度为10℃和30℃下，分别计算正常电接触状态(接触电阻为5μΩ左右)和故障接触状态(接触电阻为25μΩ左右)时温度场和气流场的分布，电接触正常和故障时外壳的温升有明显差异，从而可以由外壳温升检测电接触状态。
温度场和气流场的计算结果可以参考图2、图3、图4和图5所示，图2为环境温度为10℃电接触正常时温度场和气流场的计算结果示意图，图3为环境温度为10℃电接触故障时温度场和气流场的计算结果示意图，图4为环境温度为30℃电接触正常时温度场和气流场的计算结果示意图，图5为环境温度为30℃电接触故障时温度场和气流场的计算结果示意图。图2、图3、图4和图5表明：电接触位置温度较高，在自然对流的作用下，GIS的断路器上部分SF6和空气的温度较高，进而导致导体和外壳的上部温度较高；当电接触故障时，触头处及电接触处温升骤增，大约比电接触正常时温升高30K以上，在热对流和热辐射的传递下，外壳的温升有所升高；GIS内导体加热周围的SF6气体，SF6气体受热膨胀，在浮力的作用下向上流动，当运动至罐顶时，上升气体受阻，沿着罐顶，向四周运动，最后沿外壳形成环流；由于空气密度比SF6气体密度低，因此在外壳和端子的加热下空气流速更快；当电接触故障时，由于发热量增加，气体流速会增大0.05m/s左右。
金属导体的电阻率和热阻率会随温度的变化而变化，气体的密度、导热系数以及比热容等均会受温度的影响，因此要准确以外壳温升来评估电接触状态必须考虑环境温度的影响。不同环境温度下，正常和故障电接触状态时的外壳某点温升的对比情况参见图6，图6表明：同一环境温度下，当电接触发生故障时，外壳温升明显比电接触正常时升高了3.5K左右；同一电接触状态下，若环境温度升高，外壳的温升亦升高。
上述实验表明本发明提出的基于外壳温升评估GIS触头系统电接触状态的方法是明显有效的，但需考虑环境温度的影响，编写相关算法补偿环境温度对外壳温升的影响。对于各种型号的GIS的断路器模块和三工位隔离开关的电接触状态的评估均适用。
参考图7所示，图7为一个实施例的GIS触头系统的电接触状态检测系统结构示意图，包括：
确定模块，用于根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升；
第一判定模块，用于若所述外壳温升处于故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触故障；
第二判定模块，用于若所述外壳温升处于非故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触非故障。
在一个实施例中，上述GIS触头系统的电接触状态检测系统还可以包括：
获取模块，用于获取GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗；
计算模块，用于将所述欧姆损耗输入GIS触头系统的守恒方程组计算得到GIS触头系统的温度分布特性；其中，所述守恒方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；
构建模块，用于根据所述温度分布特性构建GIS触头系统的GIS故障检测程序，根据所述GIS故障检测程序识别所述GIS触头系统的故障温升段和非故障温升段。
本发明提供的GIS触头系统的电接触状态检测系统与本发明提供的GIS触头系统的电接触状态检测方法一一对应，在所述GIS触头系统的电接触状态检测方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于GIS触头系统的电接触状态检测系统的实施例中，特此声明。
基于如上所述的示例，一个实施例中还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性的计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，该程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
基于如上所述的示例，参考图8所示，本发明还提供一种计算机设备60，该计算机设备包括存储器61、处理器62及存储在存储器61上并可在处理器62上运行的计算机程序，所述处理器62执行所述程序时实现如上述各实施例中的任意一种GIS触头系统的电接触状态检测方法。
上述计算机设备60可以包括电脑等智能处理设备。本领域普通技术人员可以理解存储器61存储的计算机程序，与上述GIS触头系统的电接触状态检测方法实施例中的描述相对应，处理器62还可用于执行存储器61所存储的其他可执行指令。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种GIS触头系统的电接触状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升；
若所述外壳温升处于故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触故障；
若所述外壳温升处于非故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触非故障。
2.根据权利要求1所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，其特征在于，所述根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升的过程之前，还包括：
获取GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗；
将所述欧姆损耗输入GIS触头系统的守恒方程组计算得到GIS触头系统的温度分布特性；其中，所述守恒方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；
根据所述温度分布特性构建GIS触头系统的GIS故障检测程序，根据所述GIS故障检测程序识别所述GIS触头系统的故障温升段和非故障温升段。
3.根据权利要求2所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，其特征在于，所述质量守恒方程为：
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式中，ρ表示GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备内的气体密度，表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体流速，t表示时间单位，表示哈密顿算子。
4.根据权利要求2所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，其特征在于，所述动量守恒方程包括：
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式中，ρ表示GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备内的气体密度，表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体流速，t表示时间单位，表示哈密顿算子，x、y和z分别表示GIS触头系统所在坐标系的坐标分量，u表示x坐标分量对应的气体速度分量，u表示y坐标分量对应的气体速度分量，w表示z坐标分量对应的气体速度分量，P表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体压力，λ表示GIS触头系统的导热系数，μ表示GIS触头系统的粘度，g表示重力加速度，ρref表示GIS触头系统当前所在环境的空气密度。
5.根据权利要求2所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，其特征在于，所述能量守恒方程为：
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式中，ρ表示GIS触头系统所在气体绝缘金属封闭开关设备内的气体密度，表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体流速，t表示时间单位，表示哈密顿算子，H表示GIS触头系统的动态焓，λ表示GIS触头系统的导热系数，T表示GIS触头系统当前所在环境的温度，P表示气体绝缘金属封闭开关设备内的气体压力，V表示粘性耗散函数，SR表示GIS触头系统的辐射分量，σ表示GIS触头系统的电导率，表示GIS触头系统的电流密度矢量，表示GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗。
6.根据权利要求2至5任一项所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，其特征在于，所述获取GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗的过程包括：
获取GIS触头系统对应的导磁率和电导率；
将所述导磁率和电导率输入麦克斯韦方程组计算GIS触头系统在应用过程的欧姆损耗。
7.根据权利要求6所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法，其特征在于，所述麦克斯韦方程组为：
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式中，为GIS触头系统的磁场强度矢量，为GIS触头系统的电位移矢量，为GIS触头系统的电流密度矢量，为GIS触头系统的电场强度矢量，为GIS触头系统的磁感应强度矢量，t为时间单位，μ为GIS触头系统的导磁率，σ为GIS触头系统的电导率，为哈密顿算子，Q为GIS触头系统的欧姆损耗。
8.一种GIS触头系统的电接触状态检测系统，其特征在于，包括：
确定模块，用于根据GIS触头系统当前所在的环境温度以及GIS触头系统的实时外壳温度确定GIS触头系统的外壳温升；
第一判定模块，用于若所述外壳温升处于故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触故障；
第二判定模块，用于若所述外壳温升处于非故障温升段，则判定所述GIS触头系统的电接触非故障。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任意一项所述的GIS触头系统的电接触状态检测方法。
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