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时间：2019年3月06日 16:05
【摘要】开关柜运行时过热会影响开关柜的运行安全，运行维护中需要针对关键点进行温度监测。文章以户内金属铠装移开式开关柜KYN28A-12 为研究对象，利用有限元分析方法进行开关柜发热温度场数值仿真，进行了数值计算，获得了整个柜内温度的分布情况。基于计算结果开发了一套开关柜电缆室温度在线监测系统。
【关键词】高压开关柜；温度场；仿真计算；监测
随着城区配电网规模不断扩大，高压开关柜投运数量也相应增加，其运行情况对电网的可靠性影响巨大。而开关柜封闭性、成套化的特点增加了其热故障发生的概率．本文利用有限元方法建立开关柜的模型，计算不同电流作用下柜体温度分布，以发现温度较高的监测点。
1 温度场计算原理
柜体的发热损耗来源于涡流损耗，这些热量通过柜体表面的自然对流换热和热辐射两种方式发散到周围环境。假设各种材料的热物性为常数，不随材料温度而改变，则温度场的控制方程为：
式中，ρ 为材料的密度；λ、C 为材料的导热系数和比热；为内热源强度。母排的外表面应该满足对流和辐射边界条件式中，Ｔａ是环境温度；σ 表示史蒂芬－玻尔兹曼常数；ε 表示母排表面的热发生率；ｋ ε 表示母排表面的对流换热系数；ｑ表示热流密度矢量。
2 仿真建模
采用户内金属铠装移开式开关柜KYN28A-12 建立模型，参数列于表1。开关柜内导体对外换热方式包括对流和辐射，换热强度可用复合换热表面换热系数h 表示，h 是对流换热系数hc、辐射换热系数hr 的和，即h ＝ hc ＋ hr。在对电气触点温度的理论计算中取换热系数h ＝ 10W/m2 · ℃，高电压真空断路器散热表面的换热系数h 的值在7.74 ～ 12.66 之间，hc 的值在4 ～ 6.63 之间。考虑辐射后的换热系数h 约为不考虑辐射时的hc 的2 两倍。综合考虑对流和辐射，柜内导体的表面换热系数取h ＝ 10W/（m2 · ℃）。环境温度考虑夏季炎热时的情况，取40℃。不考虑导体邻近效应、涡流、磁滞损耗及介质损耗发热对局部温度场的影响。
3 发热温度场分布数值仿真计算结果
3.1 开关柜的热稳定时间
将涡流场计算得到的焦耳损耗作为热源导入，并设定相应的辐射边界条件，和对流散热边界条件，计算开关柜在环境温度为40℃时的温度场。
3.2 母排的温度场分布
母排的焦耳损耗来源于源电流的电阻发热损耗和感应发热，母排的电阻包括载流导体电阻及接触电阻。此时应注意：
（1）集肤效应。对交流电流流过的导体，由于电流产生磁通的作用，在导体截面各部分的电流密度是不平均的。
（2）邻近效应。对两个交流载流导体的并联导体，由于一个导体产生的磁通对另一个导体的作用，使其电流密度分布不均匀，从而影响交流电阻及焦耳损耗。当工作电流为3000 Ａ时，据母排和电流互感器温度场分布所示，母排与断路器开关接触部分由于接触电阻造成的损耗较大，温度较高。
4 红外监测系统构建
本文对此研发一套基于红外测温的电缆终端接头温度监测系统．以实现其过热故障的在线监测。系统由前端红外探头、信号调理电路、微处理器单元、液晶显示模块、GSM 模块及上位机系统构成。监测系统总体结构框图如图1 所示。
图1 监测系统总体结构
4.1 红外测温探头
红外测温探头将热电堆、补偿电路以及光学镜头封装为一体，具有非接触式测量、响应速度快以及精度高的优点。为同时满足柜内空气绝缘要求以及距离系数要求．将探头固定于电缆接头正前方15cm处．则探头的目标范围为直径1cm．与接头尺寸匹配。由于接头处为金属材质，发射率过低不利于测量，所以在接头处涂上黑色绝缘漆以增加发射率。
4.2 信号调理电路
由于红外测温探头输出较弱．无法直接进行后续采样工作．且三相探头具有3 路输出，需进行分时切换采样。利用模拟开关CD405l 对3 路信号进行分时切换。CD4051 纳秒级开断速度使得信号采样基本不会受到延时及串扰的影响。后续采用运算放大器INAl22 对选通信号进行放大．具有仪用运放结构的INAl22 可有效抑制共模噪声的干扰。
4.3 中央处理单元
本系统采用型号为C8051F021 的单片机作为微处理器．用于对调理后的信号进行AD 转换．并根据产品手册提供的电压一温度转换公式计算得到温度值：再通过I/0 接El 与液晶显示模块通信。将温度值进行就地显示：通过2 个串E1 分别与GSM 短消息模块以及现场DTU 柜通信．调用AT 指令集可实现定时发送温度数据短信至目标手机。该单片机新型的CIP 一51 内核及流水线结构使其指令周期大为缩短．处理能力优越：混合信号系统的特点更使其具有丰富的片上资源，内置AD 达到12 位精度，对于直流信号的采集有足够准确度。
4.4 硬件系统封装
由于红外探头位于电缆室，受电磁场干扰较大．采用磁导率较高的坡莫合金作为外壳．以最大限度地屏蔽干扰。除红外探头外，其余单元所在印刷电路板均以铝合金外壳封装后置于DTU 柜中．并设置接地屏蔽线。由于DTU 柜本身良好的屏蔽性．以上措施已能够保证硬件系统稳定工作。
4.5 上位机系统
DTU 柜利用电力专用信道向SCADA 系统上传实时温度数据. 以构建功能更为完善的上位机系统。硬件系统通过异步串口通信方式向DTU 柜上传实时温度数据：搭载嵌入式实时操作系统的DTU 柜按照104 规约进行遥信。远端监控主机可通过监测软件进行温度数据接收、趋势曲线绘制以及报表储存。监测软件通过Labview 平台进行开发，利用串口控件、显示控件及ActiveX 等控件实现上述功能。
结束语
本文针对高压开关柜工作时的柜内温度分布情况进行建模分析，通过温度场分布，能有效发现温度较高点。通过多种工况条件下温度场的计算比较，能及时
发现温度升高异常，为日常维护提供有效的参考。在温度场数值分析的基础上研发了开关柜电缆室温度在线监测系统。该系统基于红外测温原理．响应速度快、精度高、可靠性强．其具备的功能为：实时获取柜内电缆接头温度值，并现场液晶显示：常态下每隔1h 将即时温度值短信发送至目标手机．若温度越限则立即发送报警信息：上传数据至现场DTU 柜．再通过相关协议传送至监控室上位机系统．进行数据分析管理。
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