基于光纤光栅的GIS触头温度多点分布式测量系统研制

摘要

GIS设备（气体绝缘开关设备）以其小型化、可靠性高、维护方便等优点被广泛应用于电力系统。但是其密封严、体积小、电流大等结构与工况特点，导致当GIS设备触头接触不良时容易引发触头过热现象，从而造成短路等重大事故。与测量回路电阻和局放在线监测等触头状态辅助监测方法、红外辐射技术、红外热诊断技术等GIS测温方法相比，光纤光栅测温技术具有体积小、精度高、可定点测量、不受电磁干扰、不对GIS电磁场产生影响、不威胁GIS运行安全性等优点，是近年来GIS触头温度监测技术研究热点。
　　GIS温度分布规律不明确是光纤光栅测温技术应用于GIS触头温度监测的主要技术瓶颈。针对这一难题本文在电磁场-流体场-温度场理论的基础上，建立了GIS多物理场耦合数学模型，并分别对GIS隔离开关和母线简化后进行仿真计算，揭示了GIS电磁场及温度场的基本分布情况，为光纤光栅温度传感器的安装位置提供参考。以GIS母线为原型，在多物理场耦合的基础上施加多重边界条件，分析了内部负荷电流和外部气候因素对GIS温度场的影响，结果表明:导体和外壳温度增长率随着负荷增大;环境温度的改变导致GIS温度近似线性变化;太阳辐射显著改变GIS温度分布规律，随着光照增强，外壳最热点逐渐向太阳直射方向偏移;风速对内部导体温度的影响受SF6导热能力限制，当外壳温度降到接近环境温度时，导体温度不在随着风速增加而减小。
　　为了测试光纤光栅温度传感器的测量特性和验证GIS仿真计算结果的正确性，本文搭建了GIS测温实验平台，遴选了适用于GIS测温的光纤光栅温度传感器和解调仪，制定了光纤光栅温度传感器标定方案和GIS测温实验方案。多组对比实验表明光纤光栅温度传感器灵敏度和准确度较高，满足GIS测温要求，GIS测温实验结果与仿真结果整体趋势一致，相对误差较小，仿真模型和结果正确可靠。
　　以外壳温度反推触头温度的算法是光纤光栅测温的另一个关键技术。本文在仿真和实验所得结果基础上，提出了神经网络算法、支持向量机算法和经验公式法，三种方法的计算结果和实测值对比表明算法的有效性。最后提出了GIS触头温度多点分布式测量系统设计方案，并通过LabVIEW开发了触头温度多点分布式预测系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 GIS触头温度监测研究进展

1．2．1 辅助监测方法

1．2．2 红外辐射测温技术

1．2．3 红外热诊断技术

1．2．4 光纤光栅(FBG)测温技术

1．3 FBG监测GIS触头温度监测技术的优势及主要难点

1．3．1 FBG监测GIS触头温度的优势

1．3．2 FBG监测GIS触头温度的主要难点

1．4 本文主要内容

第2章 基于有限元分析的GIS温度多场耦合数值计算

2．1 引言

2．2 GIS多物理场耦合数学模型

2．2．1 数值计算软件选取

2．2．2 电磁场-流场-温度场耦合过程

2．2．3 电磁场数学模型

2．2．4 稳态流场-温度场数学模型

2．3 GIS隔离开关耦合场数值计算

2．3．1 GIS隔离开关数值计算物理模型简化

2．3．2 GIS隔离开关数值计算边界条件设置

2．3．3 GIS隔离开关数值计算结果与分析

2．4 GIS母线耦合场数值计算

2．4．1 GIS母线数值计算物理模型简化

2．4．2 GIS母线数值计算边界条件设置

2．4．3 GIS母线数值计算结果与分析

2．5 GIS温度分布影响因素分析

2．5．1 负荷电流

2．5．2 环境温度

2．5．3 太阳辐射

2．5．4 风速

2．6 本章小结

第3章 GIS光纤光栅测温实验平台及实验验证

3．1 引言

3．2 光纤光栅传感器及解调仪遴选

3．2．1 光纤光栅传感基本原理

3．2．2 光纤光栅传感器的遴选

3．2．3 光纤光栅解调仪的遴选

3．3 GIS测温实验平台搭建

3．3．1 GIS测温实验装置

3．3．2 光纤光栅传感器安装位置选择

3．4 光纤光栅温度传感器的标定

3．4．1 光纤光栅温度传感器标定方案

3．4．2 光纤光栅温度传感器标定结果

3．5 GIS测温实验与仿真对比分析

3．5．1 GIS稳态测温实验方案

3．5．2 GIS隔离开关测温实验结果

3．5．3 GIS母线测温实验结果

3．5．4 误差分析

3．6 本章小结

第4章 GIS触头温度预测算法及分布式测量系统研制

4．1 引言

4．2 GIS触头温度预测算法

4．2．1 神经网络算法

4．2．2 支持向量机算法

4．2．3 经验公式法

4．3 基于光纤光栅的GIS触头温度多点分布测量系统设计

4．3．1 硬件系统

4．3．2 软件系统

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

A．作者在攻读学位期间发表(录用)的主要论文目录

B．作者在攻读学位期间负责或参研的主要科研项目

致谢