一种GIS外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型的制作方法

本发明属于气体绝缘组合电器(gasinsulatedswitchgear，gis)触头温度在线监测技术领域，具体涉及gis隔离开关温升实验、gis隔离开关外壳、环境传感器的布置以及gis隔离开关触头温度监测算法。

背景技术：

气体绝缘组合电器(gasinsulatedswitchgear，gis)以其不受环境影响、施工安装时间短、施工费用低、运行安全可靠、维护工作量少、运行费用省、不受无线电干扰、占地面积小等优点迅速发展并广泛应用于电力系统的高压和超/特高压领域，并且在今后会得到更大规模的应用。

然而gis设备中大量使用的接头(如隔离开关、母线、断路器中的接头)常常因制造工艺的不足，不同厂家间装配工艺的差别，运输和安装过程中出现差错，从而出现镀银层不均、镀银层脱落或者触头表面形成氧化层等问题，使得触头处出现接触不良从而造成接触电阻过大，即使在通过正常电流的情况下也可能导致发热严重，破坏局部热平衡，诱发局部过热性故障。gis设备的使用寿命和运行可靠性不仅取决于设备的材料和结构，还与运行时的发热程度有关，研究表明在投设备若运行时导体温升过高，将导致金属材料的机械强度大大降低，金属氧化以及绝缘材料老化的进程加快甚至最终电介质强度降低而被击穿。

gis设备中接头是产生局部过热故障的“高危”部位，其故障往往带来严重的后果，轻则减负荷、部分设备断电，重则导致设备损坏甚至引发短路故障，从而威胁整个gis设备系统的安全稳定运行。据不完全统计，国内外投入运行的gis设备，或多或少都因其母线、电缆、隔离开关接头的接触不良而出现过热现象并引发事故，带来了严重的经济社会损失。触头温度是反应触头热故障信息最直接的指标，因此实时在线监测gis设备触头温度，将其温度作为直观反映gis运行状态的重要参数，以便运行工作人员提早发现故障，并及时采取有效措施，对电力系统安全稳定运行具有十分重要的现实意义。

目前无法实现直接在触头上布置传感器来监测其温度，对gis触头温度监测的相关研究较少。有学者提出利用实验数据对母线触头温升和外壳单点温升的对应关系进行最小二乘拟合，进而利用外壳单点温升来反推母线触头温升，这为非接触式测温的触头温度监测提供了一种新思路，但监测精度和准确性还很难满足工程实际运用的要求。也有学者通过实验测得多点外壳温度、环境温度以及隔离开关触头温度，利用神经网络拟合环境温度、外壳温度和隔离开关触头温度的关系，从而利用环境温度和外壳温度来间接监测隔离开关触头温度，由于实验数据有限，而神经网络训练网络适用于大样本数据，而且其计算往往只能得到局部最优解而不是全局最优解，因此仍需探寻更优良的方法来监测触头温度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的gis隔离开关触头温度监测技术的不足，提供一种基于gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，其能基于gis外壳和环境测温来实现隔离开关触头温度的非接触式测量，为气体绝缘组合电器在线监测和绝缘状态评估打下基础。

实现本发明目的的技术方案是：

一种gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，其特征在于，

gis隔离开关温升实验回路：用于给gis隔离开关提供实验大电流，包括依次连接的大电流发生器，母线1，断路器、母线2，所述大电流发生器，母线1，断路器、母线2串接后在连接有gis隔离开关构成实验回路；

gis隔离开关：包括gis隔离开关以及设置在gis隔离开关外的屏蔽罩；

传感器：设置在gis隔离开关外壳表面，用于测试实验时的外壳温度。

在上述的一种gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，gis隔离开关包括gis设备外壳，设置在gis设备外壳内的屏蔽罩，设置在屏蔽罩内的动触头和静触头、以及与静触头连通的导电杆。

在上述的一种gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，所述的gis隔离开关气室长度为1000mm，导电杆的半径为40mm；所述的外壳外径为280mm，外壳内径为260mm；所述屏蔽罩内径为98.5mm，屏蔽罩外径为105mm，屏蔽罩间隙为40mm；所述端盖面半径为340mm，端盖面厚度为26mm；所述观察窗内径为38mm，观察窗外径为58mm；所述动触头侧屏蔽罩为560mm，静触头侧屏蔽罩为140mm；所述动触头侧导体长为660mm，静触头侧导体长为100mm；所述触头半径为60mm，触头厚度为40mm。

在上述的一种gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，gis隔离开关温升实验回路中，调压控制台的输入端通过导线与220v/50hz的市电连接，其输出端通过导线连接到大电流发生器的输入端，通过大电流发生器1为温升实验回路加载大电流。

在上述的一种gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，gis隔离开关温升实验回路中，打开温度自动采集设备，控制调压器使实验电流达到预定值，若1h内静触头温升变化在1k以内，则认为隔离开关温升达到稳态，记录下此时的静触头、外壳及环境温度；进行不同工况下的温升试验，并记录下稳态时的静触头、外壳及环境温度。

在上述的一种gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，gis隔离开关外壳表面传感器布局包括在外壳表面设置了a～c共3个测量截面，其中外壳传感器b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8安装在触头所处截面，传感器之间夹角45°，同时在外壳上距离触头截面一定距离分别设置了a测量截面a、测量截面c；测量截面a处于屏蔽罩间隙区域；并且测量截面a和测量截面c分别置于触头截面两侧；a、c测量截面同样布置8个测温点(测温点布置类似于b1-b8)；为了使环境温度传感器免受温升试验的影响，将环境温度传感器e安装在距离隔离开关气室2m处。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：1.本发明利用svr构建gis隔离开关触头温度监测模型，训练多点外壳温度、环境温度和隔离开关触头温度的对应关系，然后利用多点外壳温度、环境温度来监测gis隔离开关触头温度以实现隔离开关触头温度的间接监测，弥补了现有sf6气体绝缘电气设备中内部触头温度无法直接监测的不足。2.本发明能基于gis隔离开关多物理场仿真的结果确定外壳温度传感器、环境温度传感器的布置方案，为完善gis设备的测温方案，以及为后期sf6气体绝缘电气设备的温升实验打下基础。3.本发明进行了不同工况下的gis隔离开关温升实验，为完善gis隔离开关在不同工况下的温升特性，以及为sf6气体绝缘电气设备的状态监测和故障诊断打下实验基础。4.本发明装置以真实的500kvgis隔离开关为研究对象，进行了不同工况下的温升实验，能很好地反应gis隔离开关的温度场分布情况。5.本发明选定的核函数类型为径向基核函数，结合最优参数并利用训练函数和监测函数对回归模型进行训练和监测，结果表明利用gis外壳多点温度与环境温度对gis隔离开关触头温度进行拟合监测的效果优越，监测的各项误差均较小，平均相对监测误差仅为0.47％，并且整个仿真计算过程耗时较少，操作较为简便。本发明可广泛用于基于gis隔离开关外壳和环境测温的gis隔离开关触头温度监测，为gis隔离开关触头温度监测研究提供了一种简单易用的方法。

附图说明

图1为本发明装置的gis隔离开关温升实验回路接线原理框图；

图2为本发明装置的有屏蔽罩结构的gis隔离开关的结构示意图；

图3为gis隔离开关气室物理模型的结构示意图；

图4a为本发明装置的gis隔离开关外壳表面传感器布局主视结构示意图。

图4b为图1的左视结构示意图

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

图中：1、大电流发生器，2、母线，3、断路器，4、隔离开关，5、gis设备外壳，6、屏蔽罩，7、动触头，8、静触头，9、导电杆，10、观察窗，11、sf6气体，12、触头，13、盆式绝缘子。

首先，介绍一下本发明的装置结构，gis隔离开关温升实验的实验设备有500kvgis隔离开关、回路电阻测试仪(量程为2000μω)、5000a大电流发生器。gis隔离开关温升实验的温度测量系统中，gis隔离开关触头温度主要由k型热电偶监测，热电偶温度数字显示仪显示；而外壳及环境温度的测量系统主要由光纤光栅温度传感器、数据采集装置、解调仪和pc机等组成，其测量精度为±0.5℃，以上测温设备均能实现温度自动记录并实时保存。gis隔离开关温升实验的实验回路主要由5000a大电流发生器、母线、断路器、隔离开关等通过串联方式构成。

往所述的实验回路系统中通入0.3mpasf6气体，与实际运行的gis设备一致，gis隔离开关内部导体发热时，热量通过sf6气体传递到外壳上。

以真实的500kv单相gis某隔离开关气室为研究对象，为了有利于建模，将gis隔离开关气室物理模型进行适当简化。厂家提供的gis隔离开关几何模型存在不连通的区域，很难直接利用其进行有限元仿真计算，因此在模型中需添加端盖面，使得隔离开关气室模型得以联通。忽略内部支撑绝缘子和外壳某些小部件对温度场分布的影响，假设gis隔离开关触头处均匀发热，将触头等效为体热源。隔离开关气室两侧通过盆式绝缘子与其他气室相连，盆式绝缘子的材料为环氧树脂，金属外壳的导热率远高于环氧树脂，因此通过盆式绝缘子向外传输的热量相对较少，本模型将盆式绝缘子处设置为绝热边界条件。

所述的gis隔离开关气室主要由导电杆、外壳、屏蔽罩、端盖面、观察窗、触头构成。简化模型后，所述的隔离开关气室的主要尺寸参数如下。所述的gis隔离开关气室长度为1000mm，导电杆的半径为40mm。所述的外壳外径为280mm，外壳内径为260mm。所述屏蔽罩内径为98.5mm，屏蔽罩外径为105mm，屏蔽罩间隙为40mm。所述端盖面半径为340mm，端盖面厚度为26mm。所述观察窗内径为38mm，观察窗外径为58mm。所述动触头侧屏蔽罩为560mm，静触头侧屏蔽罩为140mm。所述动触头侧导体长为660mm，静触头侧导体长为100mm。所述触头半径为60mm，触头厚度为40mm。

为了保证温升实验回路中气室的气密性，在gis壳体上安装了信号端子板，用耐热材料将触头传感器固定后，其引线通过定制的信号端子板引出。在光纤光栅温度传感器与gis隔离开关外壳表面之间涂覆导热硅胶以保证良好的导热性能，提高外壳测温的准确度。并且为了减少环境对温度传感器测温的影响，在传感器表面贴覆保温棉。隔离开关外壳布置的温度传感器能反应隔离开关内部触头温度的变化，为了保证gis隔离开关温升实验的有效性，外壳温度传感器的布置至关重要。

gis隔离开关外壳温度传感器、环境温度传感器布置利用多物理场仿真结果确定传感器的布置方案。基于温度场仿真结果可知，gis隔离开关外壳温度沿径向和轴向都呈现不均匀分布，屏蔽罩的遮挡作用使得屏蔽罩间隙上方外壳温升最为明显，外壳温度梯度呈现上方大下方小，外壳呈现上方温度高下方温度低。因此，为了更加准确地测量gis隔离开关外壳表面的温度场分布，在外壳表面设置了a～c共3个测量截面，其中外壳传感器b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8(传感器间相距45°)安装在触头所处截面，同时在外壳上距离触头截面一定距离分别设置了a(a截面处于屏蔽罩间隙区域)、c两个测量截面，a、c测量截面分别置于触头截面两侧。a、c测量截面同样布置8个测温点(测温点布置类似于b1-b8)。为了使环境温度传感器免受温升试验的影响，将环境温度传感器e安装在距离隔离开关气室2m处。

实验过程中，首先打开温度自动采集设备，控制调压器使实验电流达到预定值，若1h内触头温升变化在1k以内，则认为隔离开关温升达到稳态，记录下此时的触头、外壳及环境温度。进行不同工况下的温升试验，并记录下稳态时的触头、外壳及环境温度。

触头温度反演算法部分，本发明通过监测gis隔离开关外壳的温度和环境温度来反演计算隔离开关内部触头的温度以实现内部触头温度的非接触式测量。本发明采用支持向量回归机(supportvectorregression，svr)训练多点外壳温度、环境温度和gis隔离开关触头温度的对应关系，然后利用多点外壳温度和环境温度的实测来反演计算gis隔离开关触头温度。从实验所得的93组gis隔离开关温升实验数据中，随机选取83组作为训练样本，剩余10组作为监测样本，选取外壳24点温度值以及环境温度值作为自变量，隔离开关触头温度值作为因变量，核函数类型选择径向基核函数，并选用均方误差mse、平方相关系数r、最大相对监测误差、最小相对监测误差和平均相对监测误差作为模型的监测指标。本发明选用matlab中的libsvm软件，利用svr模型建立gis隔离开关触头温度的非接触式监测模型，能实现基于gis隔离开关外壳和环境测温的gis隔离开关触头温度监测。

下面结合上述装置进行具体案例的阐述。

实施例1

如图1～4所示，一种gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型，主要由gis隔离开关温升实验回路、有屏蔽罩结构的gis隔离开关、gis隔离开关外壳表面传感器布局及svr隔离开关触头温度监测算法构成，主要包括1、大电流发生器，2、母线，3、断路器，4、隔离开关，5、gis设备外壳，6、屏蔽罩，7、动触头，8、静触头，9、导电杆，10、观察窗，11、sf6气体，12、触头，13、盆式绝缘子和svr的gis隔离开关触头温度监测算法。

所述的gis隔离开关温升实验回路由1、大电流发生器，2、母线，3、断路器及4、隔离开关构成。调压控制台(容量为50kva)(市购产品)的输入端通过导线与220v/50hz的市电连接，其输出端(调压控制台输出电压为0～250v)通过导线连接到大电流发生器1(市购产品，5ka/10kva)的输入端，通过大电流发生器1为温升实验回路加载大电流。打开温度自动采集设备，控制调压器使实验电流达到预定值，若1h内触头温升变化在1k以内，则认为隔离开关温升达到稳态，记录下此时的触头、外壳及环境温度(外壳传感器的布置方案如图4a和图4b所示)。进行不同工况下的温升试验，并记录下稳态时的触头、外壳及环境温度。

所述的有屏蔽罩结构的gis隔离开关主要由5、gis设备外壳，6、屏蔽罩，7、动触头，8、静触头，9、导电杆构成。所述的gis隔离开关气室长度为1000mm，导电杆的半径为40mm。所述的外壳外径为280mm，外壳内径为260mm。所述屏蔽罩内径为98.5mm，屏蔽罩外径为105mm，屏蔽罩间隙为40mm。所述端盖面半径为340mm，端盖面厚度为26mm。所述观察窗内径为38mm，观察窗外径为58mm。所述动触头侧屏蔽罩为560mm，静触头侧屏蔽罩为140mm。所述动触头侧导体长为660mm，静触头侧导体长为100mm。所述触头半径为60mm，触头厚度为40mm。

所述的gis隔离开关外壳表面传感器布局包括在外壳表面设置了a～c共3个测量截面，其中外壳传感器b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8(传感器间相距45°)安装在触头所处截面，同时在外壳上距离触头截面一定距离分别设置了a(a截面处于屏蔽罩间隙区域)、c两个测量截面，a、c测量截面分别置于触头截面两侧。a、c测量截面同样布置8个测温点(测温点布置类似于b1-b8)。为了使环境温度传感器免受温升试验的影响，将环境温度传感器e安装在距离隔离开关气室2m处。

所述的svr隔离开关触头温度监测算法包括基于实验数据利用svr训练多点外壳温度、环境温度与隔离开关触头温度的对应关系，然后利用多点外壳温度和环境温度的实测来反演计算gis隔离开关触头温度以实现触头温度的非接触式监测。

所述的gis外壳和环境测温的隔离开关触头温度监测模型包括外壳和环境温度监测系统和gis隔离开关触头温度监测系统两部分。所述的外壳和环境温度监测系统采用光纤光栅温度传感器监测gis隔离开关外壳和环境温度，所述gis隔离开关触头温度监测系统通过svr触头温度监测算法并基于测得的gis隔离开关外壳和环境温度，实现内部触头温度的反演监测。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。