CN111460706A - 高压交流gil管廊在线监测及温度状态判别方法、系统及其存储介质 - Google Patents

高压交流gil管廊在线监测及温度状态判别方法、系统及其存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，包括如下步骤：将高压交流GIL管廊分成若干线段；对每个线段进行数据采集和传输；建立有限元模型，利用包含电磁场、流体场以及温度场的多物理场耦合计算方法迭代求解数学模型，通过对比计算出的壳体温度和采集的壳体温度数据，准确判断管廊实时温度状态；实时显示每个线段的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号以及温度状态判别结果，综合分析GIL管廊实时状态。本发明综合了GIL管廊SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电的状态监测，从而对高压交流GIL管廊进行全面评估，满足实际工程的需求，加强高压交流GIL管廊温度在线监测系统的准确性和有效性。

Description

高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法、系统及其存 储介质
技术领域
本发明属于智能电网在线监测领域，涉及一种集壳体温度监测、导体温度监测和环境温度监测的智能化远程监测为一体的无线网络监测系统，具体涉及一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法、系统及其存储介质。
背景技术
随着我国高压交流建设的发展，气体绝缘输电线路在特高压输电、核电、离岸大规模风电等工程中具有不可替代的作用，温度场与热应变特性研究对其安全稳定运行具有重要的意义。GIL导体焦耳热损耗所产生的热量使导体温度升高，同时通过热交换使绝缘气体升温，加之GIL壳体感应电流热损耗与涡流热损耗，最终引起导体、壳体和内部绝缘气体温度的上升，因此GIL设备温度是判断GIL是否正常运行的重要技术指标，而且GIL承载电流常常达到数千安培，所以有必要对GIL管廊温度进行在线监测，以减小因温度过高引起的故障。
但是，目前高压交流GIL管廊在实际工程应用上仍然存在许多问题，管廊内部充有绝缘气体，导致监测传感器不能有效采集GIL管廊内部温度数据，经常会出现采集数据不准确，采集信号不全面，采集效率低且方法不完善，以及不能根据GIL管廊的构造合理分布传感器的问题，由于其易受到温度等因素的影响，在运行过程中需要实时监测各种信号，以保证GIL管廊运行的可靠性。
发明内容
发明目的：为了解决目前GIL管廊不能实时监测各类信号且不能及时准确的判别其是否处于正常运行状态的问题，提出一种能够实时监测SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电信号的方法，同时设计红外测温探头的安装分布点，并且通过建立有限元模型，利用多物理场耦合方法迭代求解数学模型，得到温度参数包括焦耳热损耗量、热传导量、热辐射量、热对流量，以及壳体正常运行的温度计算值，以此正常值为标准，判别GIL管廊实际运行状态，便于分析GIL管廊温度状态，有助于提高GIL管廊运行的可靠性。
技术方案：本发明提供一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，包括如下步骤：
S1：对经过分段后的高压交流GIL管廊的每个线段进行数据采集和传输，采集的数据包括高压交流GIL管廊的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号；
S2：建立有限元模型，利用包含电磁场、流体场以及温度场的多物理场耦合计算方法迭代求解数学模型，以电磁场计算的焦耳热损耗作为温度场的热源，分析热传导、对流传热以及热辐射三种传热方式，得到正常运行状态下的壳体温度，然后选取壳体温度数据，通过对比计算出的壳体温度和采集的壳体温度数据，准确判断各段管廊的实时温度是否处于正常状态；
S3：实时显示高压交流GIL管廊的每个线段的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号以及步骤S2得到的温度状态判别结果，综合分析GIL管廊实时状态。
进一步的，在GIL管廊气室划分的基础上形成数据采集的线段，包括补偿线段、直线线段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段，线段划分能提高数据采集的效率和精确度。
进一步的，所述步骤S1中SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号的监测方法分别为：
所述SF6气体状态检测分为纯度检测和湿度检测，纯度检测使用电化学传感器法检测电信号值的变化，湿度检测使用露点法测量露点温度；
所述壳体温度选择红外测温传感器作为在线监测传感器，将红外测温探头安装在壳体表面；
所述线路热伸缩变形监测选择电阻式应变片电测法，测量精度高、检测灵敏、可测量程宽；
所述局部放电在线监测选用特高频法，检测高频电磁波。
进一步的，采集GIL管廊各个线段的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电监测数据。通过安装在壳体外表面的红外测温探头来采集壳体温度信号，安装距离为每0.7m一个；通过电缆或捆绑安装的无线发射装置将伸缩节形变量传感器采集的信号传输至数据处理系统；将无线发射模块集成在温度传感器中，利用短距无线技术将信号传输至无线接收装置中；在GIL关键位置安装内置式UHF传感器监测GIL局部放电量，采集的信号经过检波器滤波、放大，获取放电特征谱图，通过同轴电缆将信号传输至数据处理系统；超声波传感器经过同步噪声传感器过滤以后将信号传输至监测主机。
进一步的，建立有限元模型，利用包含电磁场、流体场以及温度场的多物理场耦合计算方法迭代求解数学模型，计算出的温度指标包括GIL管廊运行中的焦耳热损耗、导体外表面与外壳内表面之间的热辐射量，GIL壳体内部热量与外表面之间的热传导量，壳体外表面与周围空气之间的自然对流或强制对流与辐射换热方式进行的热传递量，其具体步骤是：
1)电磁场数值计算
GIL导体和壳体上产生的焦耳热损耗是温度场计算的热源，故首先通过电磁场方程组分析求解GIL的焦耳热损耗。
求解电磁场主要是依靠麦克斯韦提出的方程组，包括安培环路定律、高斯磁通定律、高斯电通定律、法拉第电磁感应定律，其积分表达式分别如下：
Figure BDA0002417529410000031
Figure BDA0002417529410000032
Figure BDA0002417529410000033
Figure BDA0002417529410000034
因为
Figure BDA0002417529410000035
和
Figure BDA0002417529410000036
都与求解域中的介质特性有关，因此麦克斯韦方程组需要补充描述介质性质的方程，方程如下：
Figure BDA0002417529410000037
式中：ε为介电常数；μ为磁导率；σ电导率。上述方程构成了求解GIL电磁场的基本方程，给定电流和电荷，结合定解条件即可求得电磁场各物理量。
GIL的焦耳热损耗是壳体和导体热损耗之和。导体焦耳热损耗计算时，由于壳体接地的屏蔽作用，GIL导体邻近效应系数为1且阻抗较小，因此不考虑不平衡电流对计算的影响，只需考虑集肤效应。
考虑到温度对材料电阻率的影响，导体或壳体电阻可表示为
Figure BDA0002417529410000038
ρm(T)＝ρ20[1+α20(T-293.15)] (7)
式中，Ri为导体或外壳电阻，Ω/m；Kf为集肤效应系数；ρm(T)为导体或壳体材料电阻率；Si为导体或壳体的横截面积，m2；ρ20为导体或壳体材料在20℃时的电阻率；α20为导体或壳体材料在20℃时的电阻温度系数；T为热力学温度。
壳体热损耗计算时，由于工频电流的电磁感应，GIL壳体中会出现两种感应电流，即由于壳体接地引起的壳体环流和壳体横截面内的涡流。因GIL为全连式结构，所以涡流损耗在工程计算中可以忽略。研究的GIL长度超过20米，因此壳体电磁感应环流应取为导体通入电流的有效值，且与导体额定电流方向相反。
导体与壳体单位体积下的焦耳热损耗可用式(8)、(9)表示：
Figure BDA0002417529410000041
Figure BDA0002417529410000042
式中：Pdv、Pkv为单位体积焦耳热功率，W/m3；Id为导体电流，A；Ik为壳体感应电流，当单相GIL长度小于20米时，取Ik＝0.95Id，长度大于20米时，取Ik＝Id，A；Rd、Rk为式(6)所求电阻值，Ω/m；Sd、Sk为导体和壳体的横截面面积，m2。
2)温度场数值计算
a)GIL热交换过程
QkF为壳体热辐射散热量，QkD为壳体空间自然对流散热量，QdF为导体热辐射散热量，QdD为导体自然对流散热量，Qkcd为壳体内部热传导热量。由此可知，GIL的热量传递过程综合了热传导、对流传热以及热辐射三种传热方式。
b)热传导
傅立叶方程描述热传导，热流密度指单位时间内通过物体单位截面(表面积)的热量，热流量密度与温度的负梯度成正比表明热传导过程服从热力学第二定律，其表达式如(10)所示。
Figure BDA0002417529410000043
式中，qn为热流密度，W/m2；常数kn为导热系数或热传导率，是表征材料导热性能的参数，W/(m·k)；
Figure BDA0002417529410000044
为物体表面法线方向的温度梯度，K/m。
c)自然对流传热
本发明方案所述流体均为气体，自然对流传热的牛顿冷却公式表达式为：
q＝hΔt (11)
式中，Δt为壁面温度与流体温度的温差，约定永远取正值，K；h为对流换热系数，W/(m2·K)。
d)热辐射
辐射方式传递的热量为：
Φ＝ε1A1σ(T1 4-T2 4) (12)
式中，Φ为辐射换热量，W；A1为表面1的面积，m2；T1，T2为表面温度，K；ε1为物体1的表面发射率；σ为黑体辐射常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4)。
GIL固体域传热方式为热传导，而流体域传热以对流和辐射为主，在GIL内部绝缘气体流速较低时，温度场计算必须考虑到热辐射的影响。
e)换热边界条件
根据假设空气层最外边界Γ1温度不受GIL温度场影响，符合第一类边界条件：
T|Γ1＝T0 (13)
GIL壳体外表面Γ2上热辐射与对流传热并存，为非线性边界条件。引入流体场分析，对流传热自动迭代求解，因此该边界条件可以表述为：
Figure BDA0002417529410000051
导体与SF6气体分界面Γ3给定面对面热辐射边界：
Figure BDA0002417529410000052
进一步的，所述步骤S3中根据初始温度计算导体以及壳体的焦耳热损耗，并将该焦耳热损耗作为模型的输入条件，通过迭代的方法计算导体产热量和散热量的误差是否小于设定误差5％，判断运行是否达到稳态，最终得到精准的GIL温度场计算值。然后将传感器采集到的壳体温度数据选取出来，对比两种数据，判断GIL管廊是否处于正常运行状态。
进一步的，将传感器采集到的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种信号以及运行状态判别结果传输至诊断系统，通过诊断系统对高压交流GIL管廊进行运行工况实时分析及显示，以便于工作人员及时了解GIL管廊的运行状态。
本发明针对管廊的结构将整个监测管廊合理的分成若干线段，对每个线段的数据进行采集、传输；其次，对GIL管廊的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种信号的采集方法分别进行选择，并设计温度传感器分布以及红外测温探头进行温度监测；再次，通过无线采集设备从传感器中定时获取数据，并实时显示GIL管廊在线监测系统获取的海量现场数据；将无线传感器采集到的每个GIL管廊线段的数据通过采集设备传输，上位机对GIL管廊的数据实时处理；然后，建立有限元模型，用多物理场耦合方法，包括电磁场、流体场以及温度场，得出稳态运行时壳体的正常温度，与监测到的壳体数据作对比，判别壳体温度是否处于正常运行状态；最后，实时显示高压交流GIL管廊的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种信号以及运行状态判别结果，综合分析GIL管廊运行状态。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明提供的SF6气体状态监测、壳体温度监测、形变量监测、局放监测与定位的GIL在线监测系统，将GIL管廊合理分段，分为补偿线段、直线线段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段，有利于数据的采集与分类，提高数据采集效率，同时针对系统软件进行了适当的选择与设计，在线监测系统能够对GIL运行状态参数进行实时采集和显示，实现GIL在线监测。
2、本发明提供的特高压交流GIL管廊在线监测方法，通过对比众多方法的优缺点，最终，选择SF6气体状态检测的露点法来测量露点温度，壳体温度在线监测传感器选择红外测温传感器并在壳体上进行合理布点，线路热伸缩变形监测采用电阻式应变片，局部放电在线监测选用特高频法，有利于准确的采集所述高压交流GIL管廊的各项数据，实现了模拟现场运行的真实情况。
3、本发明提供的特高压交流GIL温度状态判别方法，通过有限元模型和多物理场耦合方法得到的壳体温度为实际正常运行时的壳体温度，在线监测系统中嵌入本发明的模型，可以快速准确的判别管廊温度状态，并有助于现场操作人员进行检修，有效提高GIL管廊运行的可靠性。
附图说明
图1为高压交流GIL管廊温度在线监测系统工作流程图；
图2为高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法整体流程图；
图3为高压交流GIL管廊温度在线监测系统数据采集工作流程图；
图4为高压交流GIL管廊多物理场耦合流程图；
图5为GIL热交换过程示意图；
图6为换热边界条件示意图；
图7为温度传感器分布示意图；
图8为在线温度监测装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本实施例提供一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，用于监测GIL管廊在运行过程中的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电的情况，以及包括焦耳热损耗量、热传导量、热辐射量、热对流量的温度参数，得到正常状态下壳体温度，以实现温度状态是否正常的判别。
结合附图1所示，本实施例提供一种GIL管廊温度在线监测系统来实现上述方法，该系统包括下位机和上位机两大部分，如图2所示，其具体步骤如下：
步骤1：将所监测的GIL管廊分成数据采集线段，包括补偿线段、直线线段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段。
步骤2：通过安装在GIL管廊壳体上的气体状态监测传感器、形变量传感器、温度传感器、特高频传感器、超声波传感器，分段采集所需要的数据，对管廊每个线段所采集的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电的信号进行数据记录。
步骤3：对已经采集的数据通过无线通信的方式传输到下位机的监测主电路板，实现对GIL管廊采集数据的处理、分析。
步骤4：建立有限元模型，结合多物理场耦合方法，得到GIL管廊正常运行状态的壳体温度，与传感器采集到的壳体温度值作对比，判别管廊运行是否处于正常状态。
步骤5：对采集的数据以及运行状态判别结果进行显示、存储与查询，并且进一步判断出高压交流GIL管廊的综合状态。
上述步骤1中，对高压交流GIL管廊施加较长时间的额定电压和额定电流，形成高压交流GIL管廊带电监测线段，有利于模拟现场运行真实情况，GIL管廊包括多种不同气室，不同气室之间各自封闭，无气体流动，不同气室之间设置伸缩节，防止热胀冷缩损坏工管道，GIL管廊按照气室划分准则再进一步形成数据采集的线段，包括补偿线段、直线线段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段，其中补偿线段用于吸收或补偿线路温度变化引起的管廊变形，避免因变形无法释放而在管廊内部产生较大的应力，能很好的保护管廊；直线线段是直线安装结构；上升线段是上坡或者斜井环境中的安装结构；转角线段是适应各种复杂地形而安装的拐弯结构；下降线段是下坡安装结构；定向线段用于两种不同线段之间的隔离和连接使用，主要是用于长距离现场试验使用，线段划分有利于进行信号的采集，从而实现对整个管廊进行多维度的监测，有利于分析研究掌握GIL管廊的状态。
上述步骤2中，利用高压交流GIL管廊带电监测线段的结构，使用气体状态监测传感器、形变量传感器、温度传感器、特高频传感器、超声波传感器，按照监测线段进行SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电信号的采集，有利于全面分析掌握高压交流GIL管廊的四个方面的实时状态，从而更精准的反映GIL管廊的温度，减小误差。
上述步骤3中，对采集的信号进行数据记录和处理，通过无线通信方式传输到监测主电路板，然后传输至上位机系统。步骤4中，通过建立有限元模型，模型涉及焦耳热损耗，包含电磁场、温度场、流体场的多物理场耦合模型，计算出正常运行状态下的壳体温度，与采集到的壳体温度数据作对比，将结果显示到上位机。步骤5中，对采集处理后的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电的信号以及温度状态判别结果进行分析，从而判断出高压交流GIL管廊系统的整体温度状态，有利于现场工作人员及时分析并进行检修，有效提高GIL管廊系统的运行可靠性。
结合附图3高压交流GIL管廊在线监测系统的数据采集工作中，数据采集模块主要是对SF6气体状态量、温度值、形变量和超声波信号等进行数据采集，将气体状态监测传感器、形变量传感器、温度传感器、特高频传感器、超声波传感器采集到的信号传输至诊断系统，通过诊断系统对高压交流GIL管廊进行运行工况实时气体状态、形变量、温度、局部放电数据的分析和录波，出现非正常运行时记录波形并进行远距离数据传输，以便于工作人员及时了解GIL管廊的运行状态和进一步分析可能出现故障的原因。具体地，将诊断系统分析处理后的数据输送至电脑，数据分析与处理模块对接收的数据进行实时分析处理，然后与数据库中存储的非正常运行状态数据模型进行数据比对，通过电脑端显示相关分析后的数据，生成检测报告表，有利于让工作人员了解GIL管廊的状态，为用户的检修与故障排查提供参考，有效提升GIL管廊的可靠性。如图3所示，本实施例中通过无线通讯方式传入上位机，成功打开在线监测系统后，首先清空缓存区的数据，为记录新采集的数据做准备，设定软件缓存区触发个数，然后系统进行初始化，设定数据为先进先出(FIFO)模式，得到当前软件的FIFO数据量，当FIFO数量大于设定值时，可以读取系统中的AD值，将采集到的电压值转换为系统可识别的形式，然后进行数据处理。
本实施例的步骤4中，结合附图4，通过建立有限元模型，是一个包含电磁场、温度场、流体场的多物理场耦合。将焦耳热损耗作为温度场计算的热源，温度公式包括外界空气、内部绝缘气体、导体和外壳材质热物性参数，同时考虑包括粘性系数、传导系数、定常比压、比热容、热膨胀系数的外壳材质热物性参数。电磁场数值计算出GIL导体和壳体上产生的焦耳热损耗，作为温度场计算的热源，因GIL为全连式结构，所以涡流损耗在工程计算中可以忽略；温度场数值计算包括：导体外表面与外壳内表面之间的热辐射形式的传热，GIL壳体内部热量与外表面之间的热传导形式的传热，壳体外表面与周围空气之间的自然对流或强制对流与辐射换热方式进行的热传递，然后通过迭代的方法减小计算误差，得到壳体正常运行温度，对比计算值和采集到的壳体温度数据，通过迭代的方法计算导体产热量和散热量的误差是否小于设定误差5％，判断运行是否达到稳态判别运行状态。其具体的计算步骤如下：
1)电磁场数值计算
GIL导体和壳体上产生的焦耳热损耗是温度场计算的热源，故首先通过电磁场方程组分析求解GIL的焦耳热损耗。
求解电磁场主要是依靠麦克斯韦提出的方程组，包括安培环路定律、高斯磁通定律、高斯电通定律、法拉第电磁感应定律，其积分表达式如下：
Figure BDA0002417529410000081
Figure BDA0002417529410000082
Figure BDA0002417529410000091
Figure BDA0002417529410000092
因为
Figure BDA0002417529410000093
和
Figure BDA0002417529410000094
都与求解域中的介质特性有关，因此麦克斯韦方程组需要补充描述介质性质的方程，方程如下：
Figure BDA0002417529410000095
式中：ε为介电常数；μ为磁导率；σ电导率。上述方程构成了求解GIL电磁场的基本方程，给定电流和电荷，结合定解条件即可求得电磁场各物理量。
GIL的焦耳热损耗是壳体和导体热损耗之和。导体焦耳热损耗计算时，由于壳体接地的屏蔽作用，GIL导体邻近效应系数为1且阻抗较小，因此不考虑不平衡电流对计算的影响，只需考虑集肤效应。
考虑到温度对材料电阻率的影响，导体或壳体电阻可表示为
Figure BDA0002417529410000096
ρm(T)＝ρ20[1+α20(T-293.15)] (7)
式中，Ri为导体或外壳电阻，Ω/m；Kf为集肤效应系数；ρm(T)为导体或壳体材料电阻率；Si为导体或壳体的横截面积，m2；ρ20为导体或壳体材料在20℃时的电阻率；α20为导体或壳体材料在20℃时的电阻温度系数；T为热力学温度。
壳体热损耗计算时，由于工频电流的电磁感应，GIL壳体中会出现两种感应电流，即由于壳体接地引起的壳体环流和壳体横截面内的涡流。因GIL为全连式结构，所以涡流损耗在工程计算中可以忽略。研究的GIL长度超过20米，因此壳体电磁感应环流应取为导体通入电流的有效值，且与导体额定电流方向相反。
导体与壳体单位体积下的焦耳热损耗可用式(8)、(9)表示：
Figure BDA0002417529410000097
Figure BDA0002417529410000098
式中：Pdv、Pkv为单位体积焦耳热功率，W/m3；Id为导体电流，A；Ik为壳体感应电流，当单相GIL长度小于20米时，取Ik＝0.95Id，长度大于20米时，取Ik＝Id，A；Rd、Rk为式(6)所求电阻值，Ω/m；Sd、Sk为导体和壳体的横截面面积，m2。
3)温度场数值计算
a)GIL热交换过程
参照图5，QkF为壳体热辐射散热量，QkD为壳体空间自然对流散热量，QdF为导体热辐射散热量，QdD为导体自然对流散热量，Qkcd为壳体内部热传导热量。由此可知，GIL的热量传递过程综合了热传导、对流传热以及热辐射三种传热方式。
b)热传导
傅立叶方程描述热传导，热流密度指单位时间内通过物体单位截面(表面积)的热量，热流量密度与温度的负梯度成正比表明热传导过程服从热力学第二定律，其表达式如(10)所示。
Figure BDA0002417529410000101
式中，qn为热流密度，W/m2；常数kn为导热系数或热传导率，是表征材料导热性能的参数，W/(m·k)；
Figure BDA0002417529410000102
为物体表面法线方向的温度梯度，K/m。
c)自然对流传热
本发明方案所述流体均为气体，自然对流传热的牛顿冷却公式表达式为：
q＝hΔt (11)
式中，Δt为壁面温度与流体温度的温差，约定永远取正值，K；h为对流换热系数，W/(m2·K)。
d)热辐射
辐射方式传递的热量为：
Φ＝ε1A1σ(T1 4-T2 4) (12)
式中，Φ为辐射换热量，W；A1为表面1的面积，m2；T1，T2为表面温度，K；ε1为物体1的表面发射率；σ为黑体辐射常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4)。
GIL固体域传热方式为热传导，而流体域传热以对流和辐射为主，在GIL内部绝缘气体流速较低时，温度场计算必须考虑到热辐射的影响。
e)换热边界条件
参照图6，根据假设空气层最外边界Γ1温度不受GIL温度场影响，符合第一类边界条件：
T|Γ1＝T0 (13)
GIL壳体外表面Γ2上热辐射与对流传热并存，为非线性边界条件。引入流体场分析，对流传热自动迭代求解，因此该边界条件可以表述为：
Figure BDA0002417529410000103
导体与SF6气体分界面Γ3给定面对面热辐射边界：
Figure BDA0002417529410000111
公式(14)和(15)中Tk和Td分别代表壳体温度和导体温度，通过公式(14)和(15)反推即可分别求得Tk和Td。
结合附图7，本实施例根据GIL运行可靠性要求，在GIL运行过程中应保证更换红外测温仪不影响GIL的运行，因此选择使用红外测温仪直接检测GIL壳体温度的方法，取代在GIL壳体开孔对导体测温的方法，利用温度反演计算得出导体温度。红外测温仪安装于GIL壳体的正上方，由测温仪固定支架进行固定，对壳体正上方(约为温度最高点)进行测温。该方法使得在对GIL实施检修时，拆装红外测温仪简便，红外测温仪故障也可以在不影响GIL运行的条件下完成更换。
结合附图8，本实施例为满足测温及计算准确度要求，在GIL输电方向上间隔安装红外测温仪，两个测温仪之间距离为0.700m。该安装间隔可以根据实际情况进行优化调整。
本实施例中，气体状态监测传感器为一体化综合传感器，通过RS485接口以无线转发方式将现场监测数据上传至无线接收装置中；伸缩节形变量传感器通过电缆或捆绑安装的无线发射装置将信号传至数据处理系统；温度传感器采用无线传输，将无线发射模块集成在传感器中，利用短距无线技术将信号传输至无线接收装置中；局部放电在GIL关键位置安装内置式UHF传感器监测GIL局部放电量，将信号经过检波器滤波、放大，获取放电特征谱图，通过同轴电缆将信号传至数据处理系统；超声波传感器采集局部放电产生的异常超声波信号，经同步噪声传感器过滤后将信号传输至监测主机。
本实施例中，建立有限元模型，用多物理场耦合方法，得到包括焦耳热损耗量、热传导量、热辐射量、热对流量的相关温度参数，通过迭代方法进一步减小温度值计算的误差，将误差控制在5％之内，从而得到较为精准的正常运行状态下的壳体温度计算值，将计算值与采集到的壳体温度数据做对比分析，从而判别管廊运行时是否处于正常状态。
本实施例中，高压交流GIL管廊是试验线段，通过对试验线段的监测，更有利于侦测现场实际GIL管廊的运行情况，通过在线监测GIL管廊四个方面的实时数据以及运行状态判别结果，比以往的监测方法更加全面有效，可以很大程度上降低监测单一信号种类所带来的误差，能够提高温度监测的准确度，有助于提高GIL管廊系统整体运行的可靠性。
本实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (7)

1.一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：对经过分段后的高压交流GIL管廊的每个线段进行数据采集和传输，采集的数据包括高压交流GIL管廊的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号；
S2：建立有限元模型，利用包含电磁场、流体场以及温度场的多物理场耦合计算方法迭代求解数学模型，以电磁场计算的焦耳热损耗作为温度场的热源，分析热传导、对流传热以及热辐射三种传热方式，并且施加边界条件，得到正常运行状态下的壳体温度，选取壳体温度数据，通过对比计算出的壳体温度和采集的壳体温度数据，判断各段管廊的实时温度是否处于正常状态；
S3：根据高压交流GIL管廊的每个线段的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号以及步骤S2得到的温度状态判别结果，综合分析GIL管廊实时状态。
2.根据权利要求1所述的一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，其特征在于：所述步骤S1中高压交流GIL管廊分成的线段具体包括补偿线段、直线线段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段。
3.根据权利要求1所述的一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，其特征在于：所述步骤S1中SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号的监测方法分别为：
所述SF6气体状态检测分为纯度检测和湿度检测，检测使用电化学传感器法检测电信号值的变化，湿度检测使用露点法测量露点温度；
所述壳体温度选择红外测温传感器作为在线监测传感器，将红外测温探头安装在壳体表面；
所述线路热伸缩变形监测选择电阻式应变片电测法；
所述局部放电在线监测选用特高频法。
4.根据权利要求1所述的一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，其特征在于：所述步骤S3中综合分析GIL管廊实时状态的具体方式为：将SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号以及得到的温度状态判别结果传输至诊断系统，通过诊断系统对GIL管廊实时状态进行综合分析。
5.根据权利要求4所述的一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法，其特征在于：所述诊断系统对GIL管廊实时状态的分析过程为：所述诊断系统对接收到的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号进行分析和录波，将分析处理后的数据以及接收到的温度状态判别结果与数据库中存储的非正常运行状态数据模型进行数据比对，得到GIL管廊实时状态的分析结果。
6.一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法的应用系统，其特征在于：包括下位机系统和上位机系统两部分，所述下位机系统用于对步骤S1中的GIL管廊的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种数据信号进行采集、数据预处理并传输至上位机系统，所述上位机系统用于对步骤S3的GIL管廊的SF6气体状态、壳体温度、线路热伸缩变形和局部放电四种信号以及温度状态判别结果进行实时显示。
7.一种计算机存储介质，其特征在于：所述计算机存储介质存储有一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法的程序，所述一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1～5中任一项所述的一种高压交流GIL管廊在线监测及温度状态判别方法的步骤。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112179496A (zh) * 2020-09-15 2021-01-05 西安交通大学 一种针对含触指结构超、特高压穿墙套管的红外诊断运维方法
CN112765861A (zh) * 2020-12-30 2021-05-07 广东电网有限责任公司电力科学研究院 高压开关设备过热缺陷的温度特征曲线获取方法及系统
CN113297759A (zh) * 2021-05-10 2021-08-24 武汉朗德电气有限公司 Gil伸缩节声波传输建模方法
CN113945814A (zh) * 2021-11-09 2022-01-18 广东电网有限责任公司电力科学研究院 Gil绝缘子内部温度场在线监测方法
CN114325274A (zh) * 2022-01-10 2022-04-12 西南交通大学 一种换流变阀侧套管局部放电检测系统及方法
CN117394192A (zh) * 2023-11-24 2024-01-12 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 基于气体状态监测的环网柜异常感知方法及环保型环网柜

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107677937A (zh) * 2016-08-02 2018-02-09 中国电力科学研究院 特高压交流混合气体gil线段局放信号故障定位方法
CN108052697A (zh) * 2017-11-18 2018-05-18 西安交通大学 一种基于workbench的廊管GIL三维温度场及胀缩形变计算方法
CN108845282A (zh) * 2018-06-25 2018-11-20 西安交通大学 用于gis/gil局部放电诊断的标定装置及方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107677937A (zh) * 2016-08-02 2018-02-09 中国电力科学研究院 特高压交流混合气体gil线段局放信号故障定位方法
CN108052697A (zh) * 2017-11-18 2018-05-18 西安交通大学 一种基于workbench的廊管GIL三维温度场及胀缩形变计算方法
CN108845282A (zh) * 2018-06-25 2018-11-20 西安交通大学 用于gis/gil局部放电诊断的标定装置及方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112179496A (zh) * 2020-09-15 2021-01-05 西安交通大学 一种针对含触指结构超、特高压穿墙套管的红外诊断运维方法
CN112765861A (zh) * 2020-12-30 2021-05-07 广东电网有限责任公司电力科学研究院 高压开关设备过热缺陷的温度特征曲线获取方法及系统
CN112765861B (zh) * 2020-12-30 2023-06-20 广东电网有限责任公司电力科学研究院 高压开关设备过热缺陷的温度特征曲线获取方法及系统
CN113297759A (zh) * 2021-05-10 2021-08-24 武汉朗德电气有限公司 Gil伸缩节声波传输建模方法
CN113297759B (zh) * 2021-05-10 2022-04-15 武汉朗德电气有限公司 Gil伸缩节声波传输建模方法
CN113945814A (zh) * 2021-11-09 2022-01-18 广东电网有限责任公司电力科学研究院 Gil绝缘子内部温度场在线监测方法
CN113945814B (zh) * 2021-11-09 2024-01-19 广东电网有限责任公司电力科学研究院 Gil绝缘子内部温度场在线监测方法
CN114325274A (zh) * 2022-01-10 2022-04-12 西南交通大学 一种换流变阀侧套管局部放电检测系统及方法
CN117394192A (zh) * 2023-11-24 2024-01-12 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 基于气体状态监测的环网柜异常感知方法及环保型环网柜
CN117394192B (zh) * 2023-11-24 2024-03-12 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 基于气体状态监测的环网柜异常感知方法及环保型环网柜

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