CN113532658A - Gis触头过热故障检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GIS触头过热故障检测方法及装置，其通过获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理后赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果，并建立GIS发热及传热状态空间模型，以得到GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系，并根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果，进而根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度，其通过建立GIS外壳温度与内部导体温度的对应关系，以通过GIS外壳温度获取内部导体发热程度，进而判断GIS触头过热程度，从而实现对GIS触头过热故障的检测。
Description
技术领域
本发明涉及高压电试验技术领域，尤其涉及一种GIS触头过热故障检测方
法及装置。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关GIS在电网的运行、电力的运输过程中起着关键性的作用，主要用于对输电线路进行控制、保护、监测和切换。GIS具有使用寿命周期长、故障率低、可靠性高、小型化等优势，因此被大量地运用于电力系统中。
由于GIS完全密封、体积小，且其通过电流大，导致内部散热性能差，当GIS设备触头接触不良时会产生触头过热现象，容易引起绝缘老化或直接破坏GIS内部绝缘，很有可能导致短路等重大故障，引起重大损失。因此，有必要对GIS触头过热故障进行检测。
发明内容
本发明提供一种GIS触头过热故障检测方法及装置，其通过建立GIS外壳温度与内部导体温度的对应关系，以通过GIS外壳温度获取内部导体发热程度，进而判断GIS触头过热程度，从而实现对GIS触头过热故障的检测。
本发明第一方面提供一种GIS触头过热故障检测方法，包括：
获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像；
将所述预处理后的GIS外壳红外图像中每一个像素点的温度特征信息赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果；
建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系；
根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果；
根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度。
作为上述方案的改进，所述建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系，具体包括：
建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型；
建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型；
建立状态空间模型，所述状态空间模型包括GIS状态变量、输入变量和输出变量；其中，所述输入变量包括GIS设备运行的环境温度、空气压强、电压和电流；所述状态变量是指GIS外壳的温度，所述输出变量是指GIS内部导体的温度。
作为上述方案的改进，所述建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型：
对于交流下的GIS的通流损耗，通过以下步骤获得：
建立电磁场模型，根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，求解域电磁场控制方程：
J=J
s
+J
c
其中，J为源电流密度，J s 为已知源电流密度，即施加的正弦激励源，J c 为磁场变化在导电区域中感应出的电流密度，A为矢量磁位，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，▽是梯度算子，t为时间；
引入库仑规范▽·A=0，并在离GIS外壳预设距离处设置远端边界条件A＝0，以构成GIS母线的正弦时变电磁场边值问题；
通过有限元处理后，计算区域内通流损耗方程为：
其中，P为区域内损耗功率，V为区域体积，σ为导电区域的电导率；
对于电阻损耗，考虑集肤效应方程：
其中，d为集肤深度，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，w为角频率。
作为上述方案的改进，所述建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型，具体包括：
对于热传导，通过以下方程计算：
q=-λ∇t
其中，q为空间中特征点的热流密度矢量；λ为热导率，表征材料导热性能的优
劣；∇t为空间中特征点的温度梯度；
对于对流传热，考虑外部空气的自然对流和内部气体的自然对流；
对于外部空气的自然对流，通过以下一组关联式公式计算：
其中，Gr为格拉斯霍夫数，Nu为努塞特数，Pr为普朗特数，g为重力加速度，α为体胀系数，v为气体运动黏度；∆t为壁面温度与流体温度之差，l为特征长度，λ为热导率；C和n为常数，h为表面散热系数；
对于内部气体的自然对流，通过建立表征其传输过程的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解计算。
作为上述方案的改进，所述获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像，具体包括：
获取GIS外壳红外图像；
对所述GIS外壳红外图像进行图像滤波、图像分块重构，得到预处理后的GIS外壳红外图像。
本发明另一方面提供一种GIS触头过热故障检测装置，包括：
GIS外壳红外图像预处理模块，用于获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像；
GIS外壳温度分布结果获取模块，用于将所述预处理后的GIS外壳红外图像中每一个像素点的温度特征信息赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果；
发热及传热状态空间模型建立模块，用于建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系；
GIS内部导体温度分布结果获取模块，用于根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果；
GIS触头过热故障程度判断模块，用于根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度。
作为上述方案的改进，所述发热及传热状态空间模型建立模块，具体包括：
GIS热源模型建立单元，用于建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型；
GIS传热模型建立单元，用于建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型；
状态空间模型建立单元，用于建立状态空间模型，所述状态空间模型包括GIS状态变量、输入变量和输出变量；其中，所述输入变量包括GIS设备运行的环境温度、空气压强、电压和电流；所述状态变量是指GIS外壳的温度，所述输出变量是指GIS内部导体的温度。
作为上述方案的改进，所述GIS热源模型建立单元，具体用于：
对于交流下的GIS的通流损耗，通过以下步骤获得：
建立电磁场模型，根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，求解域电磁场控制方程：
J=J
s
+J
c
其中，J为源电流密度，J s 为已知源电流密度，即施加的正弦激励源，J c 为磁场变化在导电区域中感应出的电流密度，A为矢量磁位，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，▽是梯度算子，t为时间；
引入库仑规范▽·A=0，并在离GIS外壳预设距离处设置远端边界条件A＝0，以构成GIS母线的正弦时变电磁场边值问题；
通过有限元处理后，计算区域内通流损耗方程为：
其中，P为区域内损耗功率，V为区域体积，σ为导电区域的电导率；
对于电阻损耗，考虑集肤效应方程：
其中，d为集肤深度，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，w为角频率。
作为上述方案的改进，所述GIS传热模型建立单元具体用于：
对于热传导，通过以下方程计算：
q=-λ∇t
其中，q为空间中特征点的热流密度矢量；λ为热导率，表征材料导热性能的优
劣；∇t为空间中特征点的温度梯度；
对于对流传热，考虑外部空气的自然对流和内部气体的自然对流；
对于外部空气的自然对流，通过以下一组关联式公式计算：
其中，Gr为格拉斯霍夫数，Nu为努塞特数，Pr为普朗特数，g为重力加速度，α为体胀系数，v为气体运动黏度；∆t为壁面温度与流体温度之差，l为特征长度，λ为热导率；C和n为常数，h为表面散热系数；
对于内部气体的自然对流，通过建立表征其传输过程的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解计算。
作为上述方案的改进，所述GIS外壳红外图像预处理模块，具体用于：
获取GIS外壳红外图像；
对所述GIS外壳红外图像进行图像滤波、图像分块重构，得到预处理后的GIS外壳红外图像。
与现有技术相比，本发明提供的GIS触头过热故障检测方法及装置具有以下有益效果：
本发明通过获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理后赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果，并建立GIS发热及传热状态空间模型，以得到GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系，并根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果，进而根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度，其通过建立GIS外壳温度与内部导体温度的对应关系，以通过GIS外壳温度获取内部导体发热程度，进而判断GIS触头过热程度，从而实现对GIS触头过热故障的检测。
附图说明
图1是本发明提供的GIS触头过热故障检测方法的一个实施例的流程示意图；
图2是本发明提供的GIS外壳红外图像的分块重构效果图；
图3是本发明提供的GIS触头过热故障检测装置的一个实施例的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，其是本发明提供的GIS触头过热故障检测方法的一个实施例的流程示意图。
本发明实施例提供的GIS触头过热故障检测方法，包括步骤S11到步骤S15：
步骤S11，获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像；
步骤S12，将所述预处理后的GIS外壳红外图像中每一个像素点的温度特征信息赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果；
步骤S13，建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系；
步骤S14，根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果；
步骤S15，根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度。
在本发明实施例中，所述GIS外壳红外图像是通过红外检测仪采集得到的红外图像。在现有的GIS触头检测中，大多仅是基于GIS外壳红外图像直接对GIS的触头故障进行检测和评估，其评估的准确性较低，而且也未能对红外监测数据进行有效利用。本发明实施例基于GIS外壳红外图像，结合GIS三维模型，将GIS外壳红外图像上的每个像素点的温度特征信息赋值到GIS三维模型中，从而得到数值化处理的GIS外壳温度分布结果。同时建立GIS发热及传热状态空间模型，以获得GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系，进而根据GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系，得到GIS内部导体温度，进而根据内部导体发热程度，判断GIS触头过热程度，实现对GIS触头过热故障的检测。
在一种实施方式中，所述步骤S11“获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像”，具体包括：
获取GIS外壳红外图像；
对所述GIS外壳红外图像进行图像滤波、图像分块重构，得到预处理后的GIS外壳红外图像。
具体的，图像滤波的目的是消除或减少图像中的噪声干扰，改善图像的质量，本发明实施例采用均值滤波方法对红外谱图进行滤波处理。设有一幅有噪声的数字图像
，经过局部平均处理后，得到的平滑图像为：
其中，f’(x,y)为无噪声图像，n(x,y)为噪声，S为点(x,y)领域内的点集，M为S内的总点数，x是横坐标，y是纵坐标。
为了进一步提高对GIS过热缺陷的检测的成功率，本发明实施例针对过滤后的GIS外壳红外谱图进行分块处理。根据红外测温原理，红外测温仪能够准确测量目标温度一般需要9个像素（3×3），因此，可以将特定大小区域的温度平均值作为一个像素对红外谱图进行降素重构，进而规避单个像素温度值对诊断带来的影响。以红外测温仪像素320×240为例，每一张红外谱图包含七万多个像素点，以n×n的正方形区域为单元，取该区域的温度平均值作为一个像素点重构谱图，具体效果见图2，其中，（a）是20×240红外谱图，（b）是对图（a）以15×15单元区域进行重构谱图得到的。
具体的，所述步骤S12“将所述预处理后的GIS外壳红外图像中每一个像素点的温度特征信息赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果”中，所述温度特征信息包括每个像素点的绝对温度、温度梯度、x坐标值、y坐标值和z坐标值，每个单元的温度梯度△T进行简化处理，认为相邻区域的像素点在一个平面上（例如Z平面），则温度梯度简化为该单元与相邻的上下左右四个单元格的温差信息，具体定义为：
基于该温度特征信息，建立图像特征模型X=[T,△T, x, y，z]，实现图谱与数字三维模型的有效融合，并最终得到GIS外壳温度分布结果。
在一种实施方式中，所述GIS三维模型是基于数字孪生体的GIS三维数字模型。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。本发明实施例通过将GIS触头故障检测与数字孪生技术相融合，实现GIS触头故障检测的高效应用。
在一种实施方式中，所述步骤S13“建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系”，具体包括：
建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型；
建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型；
建立状态空间模型，所述状态空间模型包括GIS状态变量、输入变量和输出变量；其中，所述输入变量包括GIS设备运行的环境温度、空气压强、电压和电流；所述状态变量是指GIS外壳的温度，所述输出变量是指GIS内部导体的温度。
在一种实施方式中，所述建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型，具体包括：
对于交流下的GIS的通流损耗，通过以下步骤获得：
建立电磁场模型，根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，求解域电磁场控制方程：
J=J s +J c （4）
其中，J为源电流密度，J s 为已知源电流密度，即施加的正弦激励源，J c 为磁场变化在导电区域中感应出的电流密度，A为矢量磁位，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，▽是梯度算子，t为时间；
引入库仑规范▽·A=0，并在离GIS外壳预设距离处设置远端边界条件A＝0，以构成GIS母线的正弦时变电磁场边值问题；
通过有限元处理后，计算区域内通流损耗方程为：
其中，P为区域内损耗功率，V为区域体积，σ为导电区域的电导率；
对于电阻损耗，考虑集肤效应方程：
其中，d为集肤深度，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，w为角频率。
在一种实施方式中，所述建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型，具体包括：
对于热传导，通过以下方程计算：
q=-λ∇t（8）
其中，q为空间中特征点的热流密度矢量；λ为热导率，表征材料导热性能的优
劣；▽t为空间中特征点的温度梯度；其中，特征点为空间中筛选出来的某一点。
对于对流传热，考虑外部空气的自然对流和内部气体的自然对流；
对于外部空气的自然对流，通过以下一组关联式公式计算：
其中，Gr为格拉斯霍夫数，Nu为努塞特数，Pr为普朗特数，g为重力加速度，α为体胀系数，v为气体运动黏度；∆t为壁面温度与流体温度之差，l为特征长度，λ为热导率；C和n为常数，h为表面散热系数；
对于内部气体的自然对流，通过建立表征其传输过程的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解计算。
具体的，动量、热量以及质量传输具有相当多的类似性与统一性。考虑通用标量φ的传输问题，在表面积为A的任意固定控制体积
内，标量φ的累积量、净流出量以及体积生成率之间的守恒关系可表述为如下积分形式：
式中，ρ为流体密度，V为流速；φ为通用变量；n为表面法向量；J为表面通量矢量；S为体积源项，t为时间。
式（12）的微分形式为：
（1）质量守恒方程
运动流体的连续性是指流体充满气所占据空间，并不出现任何形式的空洞或裂隙。质量守恒方程是表述流体在运动中质量守恒的特征关系式，任何有物理意义的流动都必须满足这一方程。假设式（13）中φ=1，J=0，S=0，笛卡尔坐标系下三维流体连续性方程可写为如下形式：
其矢量形式为：
式中，x、y、z为空间直角坐标；V x 、V y 以及V z 分别表示速度矢量V在x轴、y轴以及z轴上的分量，t为时间。
（2）动量守恒方程
动量守恒方程式物理学上牛顿第二定律在流体动力学中应用的数学表述形式，即作用在流体微元上所有外力的总和等于流体微元的动量变化率。假设式（13）中φ=V x ，J=σ x ，S=ρf x ，x方向的动量守恒方程可写为：
式中，σ x 为表面力矢量；f x 为体积力的x方向分量，t为时间。
（3）能量守恒方程
由流体参与的对流换热问题，采用能量守恒方程描述热量传输的基本规律，假设公式 12中φ=C p T，J=-λ▽T，S=Q，热量传输控制方程为：
式中，C p 为比热，T为开氏温度，λ为热导率，Q为体积热源，t为时间。
具体的，本发明实施例中的状态空间模型由状态变量，输入变量和输出变量组成。状态变量为反映GIS状态的变量，包括设备的几何尺寸和材料性能参数和属性参数，为简化模型，可排除设备在运行过程中各向量随观测时间基本不变、变化微小不影响设备性能、发生变化概率低的参量。输入变量由设备的工作条件和环境条件两部分组成，包括但不限于GIS运行的环境温度、空气压强、电压和电流为输入变量；输出变量为设备外部的可观测量的特征参量，具体指GIS外壳温度。在本发明实施例中，通过模型建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系，通过GIS外壳温度可获得GIS内部导体温度，同样通过GIS内部导体温度可反推GIS外壳温度。
进一步的，在获得GIS内部导体温度分布结果后，还可以将GIS内部导体温度分布结果赋值到GIS三维模型中，实现GIS发热状态的可视化展示。
在一种实施方式中，所述步骤S15“根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度”在具体实施时可以通过预先建立过热点的温度与GIS触头过热故障程度的映射关系，从而判断GIS触头过热故障程度。例如，当过热点的温度在预设第一范围时，判定GIS触头过热故障为一级故障；当过热点的温度在预设第二范围时，判定GIS触头过热故障为二级故障，以根据故障的严重程度采取相应的措施，如状态告警、计划检修、紧急消缺等。具体的，所述过热点可以指温度最高的一点。
为了更好地说明本发明的应用，取一次实验流程对本发明的GIS触头过热故障检测方法进行进一步的介绍。
步骤1：构建GIS设备三维数字模型，明确设备的运行环境，运行条件等外部信息。
步骤2：GIS内部导体接触不良将导致GIS内部过热，当接触电阻增大，一方面导体温升增大，到达绝缘件的玻璃化温度，影响绝缘件性能。另一方面虽然导体温升不够高，但接触面熔融，影响气体绝缘。通过故障分析确定状态变量为导体温度。
步骤3：依据国标，空气流速不超过0.5m/s，试验环境温度要求在10℃~40℃范围，温升不需要修正。即导体和壳体的热导率以及SF6气体和外壳表面传热系数视为常数。因此温升差仅跟运行电流I相关，由于海拔不同空气压强不同对换热系数影响较大，根据外部运行条件和环境确定输入变量。
步骤4：通过发热模型和对流模型的物理算法，计算获得输出变量，T x 、T y 和T xy ，主要用于判断是否为内部过热，以及内部接触不良的位置；∆θs为外壳温升差，即故障部位与正常部位外壳的温升差，用于计算内部导体温升θ，以及内部接触不良电阻的大小。改变计算中的接触电阻的大小和位置，获得一系列的外壳温度分布和内部导体接触不良的位置和接触电阻值。
步骤5：通过红外测试仪拍摄GIS设备外壳温度分布，进行图像壳体成像数据建模，获得数值化处理的GIS外壳温度分布，与步骤4中的计算输出结果进行比对，并调整内部导体接触不良的位置和接触电阻值（重复步骤4），使得计算输出结果与拍摄结果相对应（误差小于3%），即根据外壳的温度分布推出导体内部故障情况和温度分布。
步骤6：将步骤5中的内部和外部数值化的温度值赋予到步骤1中的GIS三维数字模型上，实现应用于GIS数字孪生体的发热状态可视化展示与评估。
参见图3，图3是本发明提供的GIS触头过热故障检测装置的一个实施例的结构框图。本发明实施例提供的GIS触头过热故障检测装置10，包括：
GIS外壳红外图像预处理模块11，用于获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像；
GIS外壳温度分布结果获取模块12，用于将所述预处理后的GIS外壳红外图像中每一个像素点的温度特征信息赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果；
发热及传热状态空间模型建立模块13，用于建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系；
GIS内部导体温度分布结果获取模块14，用于根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果；
GIS触头过热故障程度判断模块15，用于根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度。
在一种实施方式中，所述发热及传热状态空间模型建立模块13，具体包括：
GIS热源模型建立单元，用于建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型；
GIS传热模型建立单元，用于建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型；
状态空间模型建立单元，用于建立状态空间模型，所述状态空间模型包括GIS状态变量、输入变量和输出变量；其中，所述输入变量包括GIS设备运行的环境温度、空气压强、电压和电流；所述状态变量是指GIS外壳的温度，所述输出变量是指GIS内部导体的温度。
在一种实施方式中，所述GIS热源模型建立单元，具体用于：
对于交流下的GIS的通流损耗，通过以下步骤获得：
建立电磁场模型，根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，求解域电磁场控制方程：
J=J
s
+J
c
其中，J为源电流密度，J s 为已知源电流密度，即施加的正弦激励源，J c 为磁场变化在导电区域中感应出的电流密度，A为矢量磁位，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，▽是梯度算子，t为时间；
引入库仑规范▽·A=0，并在离GIS外壳预设距离处设置远端边界条件A＝0，以构成GIS母线的正弦时变电磁场边值问题；
通过有限元处理后，计算区域内通流损耗方程为：
其中，P为区域内损耗功率，V为区域体积，σ为导电区域的电导率；
对于电阻损耗，考虑集肤效应方程：
其中，d为集肤深度，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，w为角频率。
在一种实施方式中，所述GIS传热模型建立单元具体用于：
对于热传导，通过以下方程计算：
q=-λ∇t
其中，q为空间中特征点的热流密度矢量；λ为热导率，表征材料导热性能的优
劣；∇t为空间中特征点的温度梯度；
对于对流传热，考虑外部空气的自然对流和内部气体的自然对流；
对于外部空气的自然对流，通过以下一组关联式公式计算：
其中，Gr为格拉斯霍夫数，Nu为努塞特数，Pr为普朗特数，g为重力加速度，α为体胀系数，v为气体运动黏度；∆t为壁面温度与流体温度之差，l为特征长度，λ为热导率；C和n为常数，h为表面散热系数；
对于内部气体的自然对流，通过建立表征其传输过程的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解计算。
在一种实施方式中，所述GIS外壳红外图像预处理模块11，具体用于：
获取GIS外壳红外图像；
对所述GIS外壳红外图像进行图像滤波、图像分块重构，得到预处理后的GIS外壳红外图像。
需要说明的是，本发明实施例提供的GIS触头过热故障检测装置用于实现上述实施例提供的GIS触头过热故障检测方法的全部步骤和流程，两者的工作原理和效果一一对应，这里不再作过多的赘述。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种GIS触头过热故障检测方法，其特征在于，包括：
获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像；
将所述预处理后的GIS外壳红外图像中每一个像素点的温度特征信息赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果；
建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系；
根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果；
根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度。
2.如权利要求1所述的GIS触头过热故障检测方法，其特征在于，所述建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系，具体包括：
建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型；
建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型；
建立状态空间模型，所述状态空间模型包括GIS状态变量、输入变量和输出变量；其中，所述输入变量包括GIS设备运行的环境温度、空气压强、电压和电流；所述状态变量是指GIS外壳的温度，所述输出变量是指GIS内部导体的温度。
3.如权利要求2所述的GIS触头过热故障检测方法，其特征在于，所述建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型：
对于交流下的GIS的通流损耗，通过以下步骤获得：
建立电磁场模型，根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，求解域电磁场控制方程：
J=J
s
+J
c
其中，J为源电流密度，J s 为已知源电流密度，即施加的正弦激励源，J c 为磁场变化在导电区域中感应出的电流密度，A为矢量磁位，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，▽是梯度算子，t为时间；
引入库仑规范▽·A=0，并在离GIS外壳预设距离处设置远端边界条件A＝0，以构成GIS母线的正弦时变电磁场边值问题；
通过有限元处理后，计算区域内通流损耗方程为：
其中，P为区域内损耗功率，V为区域体积，σ为导电区域的电导率；
对于电阻损耗，考虑集肤效应方程：
其中，d为集肤深度，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，w为角频率。
4.如权利要求2所述的GIS触头过热故障检测方法，其特征在于，所述建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型，具体包括：
对于热传导，通过以下方程计算：
q=-λ∇t
其中，q为空间中特征点的热流密度矢量；λ为热导率，表征材料导热性能的优
劣；∇t为空间中特征点的温度梯度；
对于对流传热，考虑外部空气的自然对流和内部气体的自然对流；
对于外部空气的自然对流，通过以下一组关联式公式计算：
其中，Gr为格拉斯霍夫数，Nu为努塞特数，Pr为普朗特数，g为重力加速度，α为体胀系数，v为气体运动黏度；∆t为壁面温度与流体温度之差，l为特征长度，λ为热导率；C和n为常数，h为表面散热系数；
对于内部气体的自然对流，通过建立表征其传输过程的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解计算。
5.如权利要求1所述的GIS触头过热故障检测方法，其特征在于，所述获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像，具体包括：
获取GIS外壳红外图像；
对所述GIS外壳红外图像进行图像滤波、图像分块重构，得到预处理后的GIS外壳红外图像。
6.一种GIS触头过热故障检测装置，其特征在于，包括：
GIS外壳红外图像预处理模块，用于获取GIS外壳红外图像，并对所述GIS外壳红外图像进行图像预处理，得到预处理后的GIS外壳红外图像；
GIS外壳温度分布结果获取模块，用于将所述预处理后的GIS外壳红外图像中每一个像素点的温度特征信息赋值到预先建立的GIS三维模型上，得到GIS外壳温度分布结果；
发热及传热状态空间模型建立模块，用于建立GIS发热及传热状态空间模型，其中，所述GIS发热及传热状态空间模型用于建立GIS外壳温度与GIS内部导体温度的对应关系；
GIS内部导体温度分布结果获取模块，用于根据所述GIS外壳温度分布结果，结合所述GIS发热及传热状态空间模型，获得GIS内部导体温度分布结果；
GIS触头过热故障程度判断模块，用于根据所述GIS内部导体温度分布结果，定位GIS内部过热点，并根据所述过热点的温度，判断GIS触头过热故障程度。
7.如权利要求6所述的GIS触头过热故障检测装置，其特征在于，所述发热及传热状态空间模型建立模块，具体包括：
GIS热源模型建立单元，用于建立考虑电阻损耗和涡流损耗的GIS热源模型；
GIS传热模型建立单元，用于建立考虑热传导和对流传热的GIS传热模型；
状态空间模型建立单元，用于建立状态空间模型，所述状态空间模型包括GIS状态变量、输入变量和输出变量；其中，所述输入变量包括GIS设备运行的环境温度、空气压强、电压和电流；所述状态变量是指GIS外壳的温度，所述输出变量是指GIS内部导体的温度。
8.如权利要求7所述的GIS触头过热故障检测装置，其特征在于，所述GIS热源模型建立单元，具体用于：
对于交流下的GIS的通流损耗，通过以下步骤获得：
建立电磁场模型，根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，求解域电磁场控制方程：
J=J
s
+J
c
其中，J为源电流密度，J s 为已知源电流密度，即施加的正弦激励源，J c 为磁场变化在导电区域中感应出的电流密度，A为矢量磁位，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，▽是梯度算子，t为时间；
引入库仑规范▽·A=0，并在离GIS外壳预设距离处设置远端边界条件A＝0，以构成GIS母线的正弦时变电磁场边值问题；
通过有限元处理后，计算区域内通流损耗方程为：
其中，P为区域内损耗功率，V为区域体积，σ为导电区域的电导率；
对于电阻损耗，考虑集肤效应方程：
其中，d为集肤深度，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，w为角频率。
9.如权利要求7所述的GIS触头过热故障检测装置，其特征在于，所述GIS传热模型建立单元具体用于：
对于热传导，通过以下方程计算：
q=-λ∇t
其中，q为空间中特征点的热流密度矢量；λ为热导率，表征材料导热性能的优
劣；∇t为空间中特征点的温度梯度；
对于对流传热，考虑外部空气的自然对流和内部气体的自然对流；
对于外部空气的自然对流，通过以下一组关联式公式计算：
其中，Gr为格拉斯霍夫数，Nu为努塞特数，Pr为普朗特数，g为重力加速度，α为体胀系数，v为气体运动黏度；∆t为壁面温度与流体温度之差，l为特征长度，λ为热导率；C和n为常数，h为表面散热系数；
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10.如权利要求6所述的GIS触头过热故障检测装置，其特征在于，所述GIS外壳红外图像预处理模块，具体用于：
获取GIS外壳红外图像；
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