CN108051118B - 一种测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，包括以下步骤：S1，在导电管中施加不同的电流，确定出对应的导电管的发热功率，测定相应的玻璃钢管和护套伞裙之间的温度差；S2，根据多组导电管的发热功率与对应的玻璃钢管和护套伞裙之间的温度差的值，确定出两者之间的函数关系式；S3，根据导电管中的当前运行电流计算导电管当前的发热功率，结合步骤S2中的函数关系式确定出玻璃钢管和护套伞裙之间的温度差的实际值；测量护套伞裙的表面实际温度，并结合温度差的实际值计算得到玻璃钢管的实际温度。本发明的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，可在绝缘子的使用现场测量内部的玻璃钢管的温度，且操作简便，成本低。

Description

一种测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法

【技术领域】

本发明涉及复合空心绝缘子的温度测量，特别是涉及一种测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法。

【背景技术】

复合空心绝缘子凭借其高抗拉强度，抗污闪等优点得到广泛应用。2016年全球变电站复合绝缘子的占比约为35％，并呈现逐年增高的趋势，预计2020年复合化比例将超过50％。

如图1所示，复合空心绝缘子由中心导电管40、玻璃钢管20和硅橡胶护套伞裙10构成。其中，玻璃钢管20和中心导电管40之间充以0.5～0.6MPa的SF₆气体。在复合空心绝缘子的结构中，玻璃钢管20起到绝缘和支撑的作用。玻璃钢通常是玻璃纤维增强环氧树脂材料，作为聚合物材料，机械和电气性能都会受到温度的影响，尤其是力学参数的弹性模量随着温度的升高而降低。硅橡胶护套伞裙10和玻璃钢管20的导热性均不良好，所以内部温度往往很高。在强风作用下，复合空心绝缘子的风偏量主要和弹性模量相关。高温也会降低玻璃钢材料的介电强度。由于工程设计没有考虑温升效应而造成的运行事故已有多次。所以，在高环境温度、大运行负荷下监测玻璃钢管20的工作温度，并提出预警是很有必要的。

然而，目前尚无现场测量套管部件(例如导电管、玻璃钢芯体)温度的方法。现有的温度测量一般是在实验室使用多个传感器对缩比套管或真型套管进行测量。由于需要考虑绝缘，还需要设计复杂的隔离电路实现测量过程，且需要在套管内部加装元器件或者电路。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，可在绝缘子的使用现场测量内部的玻璃钢管的温度，且操作简便，成本低。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，所述复合空心绝缘子包括位于中心的导电管，位于外围的玻璃钢管以及包覆所述玻璃钢管的护套伞裙，包括以下步骤：S1，在所述导电管中施加不同的电流，确定出对应的所述导电管的发热功率，测定相应的所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差；S2，根据多组所述导电管的发热功率与对应的所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的值，确定出两者之间的函数关系式；S3，根据所述导电管中的当前运行电流计算所述导电管当前的发热功率，结合步骤S2中的函数关系式确定出所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的实际值；测量所述护套伞裙的表面实际温度，并结合所述温度差的实际值计算得到所述玻璃钢管的实际温度。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，通过建立内部的导电管的发热功率与外围的玻璃钢管与护套伞裙之间的温度差的函数关系式，从而可基于内部可计算得到的发热功率以及最表面的护套伞裙的实际温度，测量得到被包裹在中间的玻璃钢管的温度。本发明的测量方法可针对已处于现场工作状态中的绝缘子中的玻璃钢管的温度测量，且测量过程为非接触式测量，不影响玻璃钢管和护套伞裙需保持绝缘工作的要求，也无需在复合绝缘子内部加装元器件或者电路，操作方便，成本较低。

【附图说明】

图1是现有的复合空心绝缘子的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的复合空心绝缘子的传热模型示意图；

图3是本发明具体实施方式的测量方法中通过有限元分析方法仿真得到的温度分布示意图；

图4是本发明具体实施方式的测量方法中仿真后得到的函数关系示意；

图5是本发明具体实施方式的测量方法中测量套管最外面的伞裙的表面温度时的状态示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的构思是：针对玻璃钢管的温度测量，由于玻璃钢管20外有硅橡胶护套10包裹，无法直接测量得到玻璃钢管20的温度。部分方案中提到利用有限元分析手段进行内部热流的仿真计算，试图得到复合空心绝缘子的温度分布。但是，整个系统中包含有SF₆和空气两种流体，流体的热传递方式既有热传导，又包括热对流。而对流换热水平和流速以及表面形状均有关系。准确模拟流体甚至封闭腔体内流体的散热效率，有很大难度，尤其目前尚无SF₆气体散热的计算模型，这都限制了仿真计算的准确性和可信度，进而无法得到准确的温度分布情况。由于流体的散热因素较多且过程复杂，而固体之间的传热较为简单，且有成熟的模型和公式，因此，本发明尝试从固定之间的传热进行推导得到玻璃钢管的温度情况。

在复合空心绝缘子的结构中，考虑到其轴向长度远大于径向长度，可认为由导电管40产生的焦耳热只沿径向流动，在轴向无热传递过程，传热模型如图2所示。稳态时，单位长度的导电管的发热量和散热量达到平衡，即进入稳定工作状态后，导电管40产生的焦耳热都要穿过SF₆、玻璃钢管(图2中未示出)、硅橡胶护套伞裙(图2中未示出)扩散到空气中。由于高压复合套管轴向长度远大于径向长度，套管两端的截面积很小。套管中间穿过的导电管均匀发热，不考虑边缘效应，可以认为导电管产生的发热量均沿径向扩散到空气中。

由于玻璃钢管和硅橡胶伞裙护套两固体之间的温度梯度不受内部的SF₆和空气的状态影响，只与传导出去的热功率有关。对于两种紧密连接的固体，导热过程符合傅里叶导热定律：即在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量(功率)，与垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积成正比，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。

因此，得到复合绝缘子中有关导热的傅里叶公式为：

其中，表示单位时间内通过给定截面的热量，也即复合绝缘子的导热速率，单位为W。P表示稳态过程中导电管的发热功率，单位也为W。图2所示的模型中，向量or所示意的径向方向上任意一点x(即导热面上的坐标，单位为m)处的传热面积为上述A，也即点x处对应的圆筒截面。取设定长度下的复合绝缘子为分析对象，则A是x的函数，单位为m²。T表示复合绝缘子中的温度，单位为K。

上述式子进行简单的变换，并积分，可得到任意一点x处的导热截面满足：

该式子中，右边项中功率P前的系数为一个定积分因子,而针对实际问题内外边界是确定的，故该定积分因子是常数。因此，根据该式子可以得到任意厚度固体的内外温差均与发热功率P(即散热功率)成正比。也即，在玻璃钢管20与内部气体的接触面所在的位置处也满足上述关系式。确定出关系式中的比例因子即可得到玻璃钢管20的内表面所在位置对应的内外温差与导热功率P之间的函数关系。而导热功率P以及最外表面的温度，也即硅橡胶护套伞裙10的外表面温度均可以实际测量得到，因此，内部温度，也即玻璃钢管20的内表面温度可计算得到。

综上，本具体实施方式提出的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法包括以下步骤：

S1，在所述导电管中施加不同的电流，确定出对应的所述导电管的发热功率，测定相应的所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差，得到多组发热功率与温度差之间的对应值。

S2，根据多组所述导电管的发热功率与对应的所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的值，确定出两者之间的函数关系式。

该步骤中，根据上述模型推导，温度差与发热功率之间成正比，因此，根据步骤S1中测定的多组值，确定比例系数a，即得到两者的函数关系式为△T＝aP，其中，△T表示所述温度差，P表示所述导电管的发热功率。

优选地，步骤S1中可通过有限元分析仿真软件仿真所述复合空心绝缘子的三维模型，进而在仿真软件中得到导电管在不同的发热功率下对应的不同的温度差的仿真值。因此，步骤S2中可根据多组仿真值确定出两者之间的函数关系式。这样，不必实际测量多个不同的发热功率下实际对应的玻璃钢管和护套伞裙之间的温度差的值。

在有限元分析仿真软件仿真ANSYS中仿真绝缘子的三维模型时，可导入绝缘子套管的一段长度的片段的三维模型，包括硅橡胶护套伞裙、玻璃钢芯体、SF₆气体和导电管，建立10m*10m*10m的空气包，并设置外表面为环境温度。设置硅橡胶、玻璃钢的导热系数，以及设置SF₆和空气的导热系数。该步骤中，硅橡胶、玻璃钢的导热系数可查阅技术资料查询得到，优选地，通过实际测量确定得到。例如，采用闪光法测试硅橡胶伞裙以及内部的玻璃钢芯体(玻纤增强环氧树脂)的导热系数。仪器为LFA 447激光导热法测量仪。闪光法是给一个四周绝热、厚度为L的薄圆片试样加一脉冲的电流加热热流，在另一面测出温度随时间的变化关系，确定热扩散率，从而计算出材料热导率。导入以及设置上述导热系数后，设置导电管单位体积的发热功率，从而得到如图3所示的仿真温度分布示意图，进而可得到玻璃钢管和护套伞裙之间的温度差的仿真值。改变发热功率取不同的取值，重新仿真计算出温度差的仿真值。重复多次，得到多组发热功率与温度差的仿真值，进而可确定得到内外温差随发热功率的函数关系。图4所示，为仿真后得到的函数关系式的示例，确定出比例系数a，即得到两者的函数关系式△T＝aP的具体表达式。

由于导热模型中设定热流只沿径向流动，仿真过程中只需截取设定长度的片段进行计算即可，结果具有代表性和可推广性，并大大减小运算量。

S3，根据所述导电管中的当前运行电流计算所述导电管当前的发热功率，结合步骤S2中的函数关系式确定出所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的实际值；测量所述护套伞裙的表面实际温度，并结合所述温度差的实际值计算得到所述玻璃钢管的实际温度。

该步骤中，获取导电管中当前的运行电流I,计算导电管的当前焦耳热功率P_实。根据函数关系式△T_实＝aP_实可确定出玻璃钢管20和护套伞裙10之间的温度差的实际值△T_实。

然后，利用红外热成像仪可测量得到硅橡胶伞裙的外表面的温度T_1实，如图5所示。优选地，在利用红外热成像仪测量套管最外面的伞裙的表面温度时，测量沿套管长度方向上位于中间区段的套管的最表面温度。在套管的中间部位最能符合传热模型，因此，测量中间区段的套管的最表面温度可以提高测量方法的准确性。

最后，通过T_实＝T_1实+△T_实＝T_1实+aP_实计算出内部的温度，即玻璃钢管20的内表面的实际温度，视为玻璃钢管20的实际温度。

本具体实施方式的测量方法中，通过确定得到玻璃钢内表面与硅橡胶外表面温差和发热功率的函数，现场实测复合绝缘子的硅橡胶的最外表面的温度，并根据运行电流推测发热功率，最终推算玻璃钢管的工作温度。测量过程为非接触式测量，不影响玻璃钢管和护套伞裙需保持绝缘工作的要求，也无需在复合绝缘子内部加装元器件或者电路，操作方便，成本较低。目前，已投运的超高压、特高压套管数量多，成本高(单根数十万到百万)，该测量方法可广泛适用于这些已投运的绝缘子套管的现场温度测量，且实际操作过程较为经济。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，所述复合空心绝缘子包括位于中心的导电管，位于外围的玻璃钢管以及包覆所述玻璃钢管的护套伞裙，其特征在于：包括以下步骤：S1，在所述导电管中施加不同的电流，确定出对应的所述导电管的发热功率，测定相应的所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差；S2，根据多组所述导电管的发热功率与对应的所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的值，确定出两者之间的函数关系式；S3，根据所述导电管中的当前运行电流计算所述导电管当前的发热功率，结合步骤S2中的函数关系式确定出所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的实际值；测量所述护套伞裙的表面实际温度，并结合所述温度差的实际值计算得到所述玻璃钢管的实际温度。

2.根据权利要求1所述的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，其特征在于：步骤S2中，根据多组所述导电管的发热功率与对应的所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的值确定比例系数a，得到所述函数关系式为△T＝aP，其中，△T表示所述温度差，P表示所述导电管的发热功率；步骤S3中，根据函数关系式△T_实＝aP_实确定所述玻璃钢管和所述护套伞裙之间的温度差的实际值△T_实，其中，P_实表示所述导电管当前的发热功率。

3.根据权利要求1所述的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，其特征在于：步骤S1中，通过有限元分析仿真软件仿真复合空心绝缘子的三维模型，得到导电管在不同的发热功率下对应的不同的温度差的仿真值；步骤S2中，根据多组发热功率与温度差仿真值确定出两者之间的函数关系式。

4.根据权利要求3所述的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，其特征在于：通过有限元分析仿真软件仅仿真复合空心绝缘子的设定长度的三维模型。

5.根据权利要求1所述的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，其特征在于：所述护套伞裙的材质为硅橡胶材质。

6.根据权利要求1所述的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，其特征在于：步骤S3中，通过红外热成像仪测量所述护套伞裙的表面实际温度。

7.根据权利要求6所述的测量复合空心绝缘子的玻璃钢管的温度的方法，其特征在于：步骤S3中，通过红外热成像仪测量所述复合空心绝缘子中位于长度方向上的中间区域的护套伞裙的表面实际温度。