开关柜内电磁场分布的驻波特性研究及其应用

开关柜内电磁场分布的驻波特性 研究及其应用 陈茂忠 李志雄2 朱 宝2 李 晓2 (1广东电网公司惠州供电局，广东惠州 516001； 2武汉烽火富华电气有限责任公司，武汉430074) 研究与开发 摘要 基于声表面波温度传感器的无源无线温度在线监测系统在开关柜内的应用，可实现触 点过热故障隐患的早期预警，保障高压开关设备的长期可靠运行。而传感器的无源、无线的特性， 要求发射天线与传感器天线之间存在良好的电磁场分布以保证可靠的温度信号采集。本文深入分 析了开关柜内电磁场分布的驻波特性，并对影响驻波特性的因素做了仿真和实验验证分析，最后 提出了它对基于声表面波温度传感器的无源无线温度在线监测系统工程应用的启示。 关键词：压开关柜；驻波特性；of in i Zhi f 1 1 600 1； 2o，30074) he of in to of of of he of of in to a on of in AW；压开关柜作为发电厂、变电站中的重要基础 设备，担负着关合电力线路、保护系统安全的双重 功能。在其长期运行过程中，导电触点的接触特性 直接影响开关柜工作的可靠性。高压开关柜由于 环境振动、触头烧蚀等原因，引起触点温度升高、 氧化，可能导致触头局部熔焊、产生火花甚至放电， 引发停电、火灾事故 。因此，电力企业迫切需要 一种用于高压开关柜触点温度原位置、实时、在线 监测的低成本仪器，实现触点过热故障隐患的早期 预警，确保高压开关电器的长期可靠运行。 高压开关柜触点温度的测量，目前主要采用红外 辐射传感器、石英晶体、光纤j J 和；温度信号的传输，主要采 用电缆或光纤。 本研究使用基于度实时在线监测管理系统，主要有，采集终端，后台软件组成。为了获得全封闭的 高压开关柜在不同状态下的电磁场分布信息，掌握 监测仪器信号采集、传输的工作环境71本文以无源 无线温度传感系统为基础，分析验证了开关柜内的 2 47 研究与开发 不同状态下电磁场的分布特性。 l 理论分析 下面是谐振腔内电场振荡分布的推导【 ： 如图1所示，取金属壁的内表面分别为x=0和 L ，y=0和L2，z=内电磁波的电场和 磁场任一一直角分量都满足亥姆霍兹方程。设u(x， ，Z) 为任一直角分量，有 图 1 V “+k。f,t=0 用分量变量法，令 u(x，Y，z)= (x)】，( )z(z) 上式分解为3个方程 ：0一， +庀： ：， 婶 z=。 (1) (2) ：4 z， = z， E z=A3 z (6) 再考虑x=2，z= 厶 厶和尼，厶必须为 ， ， 7 ( ，,，P=0，1，2，) 式中，m，F，。式(6)含三个任意常数 1， 2和 3。由方程 VE=0，它们之问应满足关系 4+ ， +七，4=0 (8) 因此 l， 2和当满足关系式(7)和式(8)时，式(6)代表 腔内的一种谐振波模m，或称为腔内电磁场的一种 本征振荡。对每一组(m，P)值，有两个独立 偏振波模。谐振频率由式(4)和式(7)，若m， ， 场强E=0。若2 3则最 低频率的谐振波模为(1，1，0)，其谐振频率为 10 (3) 相应的电磁波 +i + ：09 (4) 由式(3)解得u(x，Y，z)的驻波解： u(x，Y，z)=(cI x+Di 2 (c3 z) (5) 式中，G，D 为任意常数，把u(x，Y，z)具体化为E 的各分量时，考虑边界条件可得对这些常数的一些 限制。 考虑 ，它对x=x=O 时 =0，因此在(5)式中不取对y=0和z=0面来说是切向分量，由边界条件 =0可知，当y=0和z=0时E =0，因此在(5) 式中不取 和 亦可作类 似考虑。由此可得 48 ，9) (10) 此波长与谐振腔的线度同一数量级。在微波技 术中通常用谐振腔的最低波模来产生特定频率的电 磁振荡。在更高频率情况下也用到谐振腔的一些较 高波模。 由理论推导可知，对于密闭的金属腔体内的电 磁场分布呈现驻波特性，即在腔体内，不同位置的 电磁场的幅值呈现交替变化，周期性的特点，而且 这些特点仅由密闭腔体的长宽高尺寸2、 ，决 定；特别指出的是电磁分布的周期性的最大波长由 腔体 】、 2、三3中的两个稍大值决定。 2仿真模型的建立与边界条件 21仿真模型的建立 端与接地开关相连。测得公司 ：一 。 一一一： 波 置的改变会显著影响柜体内整体的电磁场幅值，如 结论3所示，不会改变柜体内的电磁场分布的强弱 的具体位置。 3)电磁场在母排上的驻波特性只由柜体的长、 宽高尺寸相关，而与发射天线位置及母排的尺寸和 母排在柜体的相对位置无关。 这些结论对工程安装应用的启示： 1)首先确定了发射天线的安装位置：发射天线 位置正对母排驻波的波峰或者波谷的位置时，柜体 内的整体信号强度相对最好。 2)开关柜柜体尺寸及测温探头在柜体的具体位 置基本决定探头的能接受信号能力，在发射天线位 置固定后，如果可能，可以移动探头位置，改善信 号强度。 3)探头安装在母排侧边上更好。 参考文献 1】 杨武，王小华，荣命哲，等基于红外测温技术的高 压电力设备温度在线监测传感器的研究J中国电 机工程学报，2002，22(9)：113117 2 宋梁，温秀峰高压开关柜温度在线监测研究J电 气开关，2012(3)：3234 3】孙晓雅，李永倩，李天，李晓菲基于光纤光栅的开 研究与开发 关柜温度在线监测系统设计J电力系统通信， 2012，33(235)：64】钟小江，仝卫国，李宝树，等光纤光栅传感技术及 其在电力系统中的应用J_传感器世界，2007，13(5) 2529 【5 杨进，李平，文玉梅声表面波谐振器无源传感信号 特性和信号处理方法研究J电子测量与仪器学报， 2004，18(2)：1【6 H， P， O1 620 1 2 D：012：17高杨，周岩，刘婷婷，等高压开关柜的三维电磁场 数值仿真J】2009，7(6)：540544 8】郭硕鸿电动力学M】3版，北京：高等教育出版社， 2003：150165 9 郭辉萍，刘学观电磁场与电磁波M2版西安： 西安电子科技大学出版社，2005：57 10朱守正，匡磊，陈荣标天线手册【M北京：人民 邮电出版社。2009：3637 作者简介 陈茂忠(1974)，男，广东潮阳人，广东电网公司惠州供电局电力 调度控制中心通信检修主管，工程师。主要从事电力通信工作。 (上接第30页) 5】 C， I， et 013，28(6)： 28952911 6】 王义飞吴伟，张嗥华，等改进型变步长光伏最大 功率点快速跟踪J上海大学学报(自然科学版) 2011，17(3)：249252 7】 原敬磊，张建成一种改进的变步长电导增量光伏 电源】电网与清洁能源，2012， 28(1)：7579 【8赖东升，杨苹一种应用于光伏发电电导增量法J】电力电子技术，2012，46(3)：409】 T， et 9999 5of 1999：390393 10，A to V 006， 53(4)：105511】高志强，王建赜，纪延超，等一种快速的光伏最大 功率点跟踪方法J电力系统保护与控制，2012， 40(8)：105109 12】邱培春，葛宝明，毕大强基于扰动观察和二次插 值的光伏发电最大功率跟踪控制J电力系统保护 与控制，2011，39(4)：6267 13赵云凤，李田泽，陈世宝，等光伏发电非线性步长 最大功率跟踪研究J可再