开关柜内电磁场分布的驻波特性研究及其应用

研究与开发　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）　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：ＳＡＷ；高压开关柜；驻波特性；ＨＦＳＳ仿真　Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　Ｗａｖｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｃａｂｉｎｅｔ　Ｃｈｅｎ　Ｍａｏｚｈｏｎｇｌ　Ｌｉ　Ｚｈ￣ｉｏｎｇ２　Ｚｈｕ　Ｂａｏ２　Ｌｉ　Ｘｉａｏ２　ｆ　１．Ｈｕｉｚｈｏｕ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　ｇｒｉｄ　ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈｕｉｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５　１　６００　１；　２．Ｗｕｈａｎ　Ｆｉｂｅｒｈｏｍｅ　Ｆｕｈｕａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃａｂｉｎｅｔ，ｅｎｏｕｇｈ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｏｆ　ｈｉｄｄｅｎ　ｆａｕｌｔｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｈｅａｔｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｗｉｔｃｈ　ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ，ｒｅｑｕｉｒｅｓ　ｇｏｏｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ａｎｔｅｎｎａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｔｅｎｎａ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ａ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ，　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｅｐｌｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄｉｎｇ　ｗａｖｅｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃａｂｉｎｅｔ，ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ａｆｆｅｃｔ　ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　ｗａｖｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｐｒｏｐｏｓｉｎｇ　ｉｔｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＡＷ；ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ；ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　ｗａｖｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｈｆｓｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　高压开关柜作为发电厂、变电站中的重要基础　高压开关柜触点温度的测量，目前主要采用红外　设备，担负着关合电力线路、保护系统安全的双重　辐射传感器、石英晶体、光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器【ｊ　Ｊ　功能。在其长期运行过程中，导电触点的接触特性　和ＳＡＷ温度传感器ｌ５　］；温度信号的传输，主要采　直接影响开关柜工作的可靠性…。高压开关柜由于　用电缆或光纤。　环境振动、触头烧蚀等原因，引起触点温度升高、　本研究使用基于ＳＡＷ温度传感器的无源无线　氧化，可能导致触头局部熔焊、产生火花甚至放电，　温度实时在线监测管理系统，主要有ＳＡＷ温度传感　引发停电、火灾事故［　。因此，电力企业迫切需要　器，采集终端，后台软件组成。为了获得全封闭的　一种用于高压开关柜触点温度原位置、实时、在线　高压开关柜在不同状态下的电磁场分布信息，掌握　监测的低成本仪器，实现触点过热故障隐患的早期　监测仪器信号采集、传输的工作环境［７１本文以无源　预警，确保高压开关电器的长期可靠运行。　无线温度传感系统为基础，分析验证了开关柜内的　２ｏ１４年第５期９￣ｌｔｌｔｔ　Ｉ　４７　研究与开发　不同状态下电磁场的分布特性。　：４　ｃｏｓ　ｓｉｎ　ｓｉｎ　ｚ，　ｃｏｓ　ｓｉｎ　ｚ，　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　＝　ｓｉｎ　（６）　Ｅ　ｚ＝Ａ３　ｓｉｎｋ￣ｘｓｉｎｋｙ３’ｃｏｓｋ　ｚ．　再考虑ｘ＝Ｌ１，　２，ｚ＝Ｌ３面上的边界条件，得　Ｌ　，ｙ＝０和Ｌ２，ｚ＝Ｏ和上３面。腔内电磁波的电场和　磁场任一一直角分量都满足亥姆霍兹方程。设ｕ（ｘ，　，Ｚ）　为Ｅ或Ⅳ的任一直角分量，有　图　１　Ｖ　“＋ｋ。ｆ，ｔ＝０　（１）　用分量变量法，令　ｕ（ｘ，Ｙ，ｚ）＝　（ｘ）】，（　）ｚ（ｚ）　（２）　上式分解为３个方程　ｄ２—　Ｘ丁＋　＋庀：　：０：一，，　婶　（３）　ｄ２Ｚ＋　ｚ＝。．　＋．ｉ｝　＋　：０９　（４）　由式（３）解得ｕ（ｘ，Ｙ，ｚ）的驻波解：　ｕ（ｘ，Ｙ，ｚ）＝（ｃＩ　ｃｏｓｋ　ｘ＋Ｄｉ　ｓｉｎｋｘｘ）（　ＣＯＳｋｙｙ＋Ｄ２　ｓｉｎｋｙｙ）　（ｃ３　ｃｏｓｋｚｚ＋　ｓｉｎｋ　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＝Ｏ壁面来说是法向分量，当ｘ＝Ｏ　时　／　＝０，因此在（５）式中不取ｓｉｎｋ￣ｘ项。　对ｙ＝０和ｚ＝０面来说是切向分量，由边界条件　／ｌ＇Ｘ　Ｅ＝０可知，当ｙ＝０和ｚ＝０时Ｅ　＝０，因此在（５）　式中不取ｃｏｓｋｙｙ和ｃｏｓｋｚｚ项。对　和　亦可作类　似考虑。由此可得　４８　Ｉ电　技，Ｉｃ　２ｏ１４年第５期　厶　厶和尼，厶必须为ｎ的整数倍，即　ｋｘ＝　，　，　７　（　，／，／，Ｐ＝０，１，２，…）　式中，ｍ，Ｆ／，Ｐ分别代表沿矩形三边所含的半波数　目。式（６）含三个任意常数　１，　２和　３。由方程　Ｖ．Ｅ＝０，它们之问应满足关系　４＋　，　＋七，４＝０　（８）　因此　ｌ，　２和Ａ３中只有两个是独立的。　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，　，　Ｐ中有两个为零，则场强Ｅ＝０。若Ｌ１≥　２≥　３则最　低频率的谐振波模为（１，１，０），其谐振频率为　１０　（９）　一一一：　波　相应的电磁波　。　（１０）　　一：一　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Ｌ１、　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　２．１仿真模型的建立　ＡＢＣ三相铜制相线上端与电流互感器相连，下　端与接地开关相连。测得公司ＫＹＮ２８型开关柜内部　研究与开发　置的改变会显著影响柜体内整体的电磁场幅值，如　关柜温度在线监测系统设计［Ｊ］．电力系统通信，　２０１２，３３（２３５）：６－１０．　［４】钟小江，仝卫国，李宝树，等．光纤光栅传感技术及　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：　其在电力系统中的应用［Ｊ］＿传感器世界，２００７，１３（５）　２５—２９．　【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．　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　【６］ＨＩＮＥＳ　Ｊ　Ｈ，ＳＯＬＩＥ　Ｌ　Ｐ，ＣＯＴＥ　Ｇ　Ｏ．１　６－Ｓｅｎｓｏｒ　Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＳＡＷ　Ｈｕｍｉｄｉｔｙ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＦＣＳ），２０　１　２　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１．Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，ＭＤ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２０１２：１－４．　［７］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）：５４０—５４４．　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）：１１３—１１７．　［８】郭硕鸿．电动力学［Ｍ】．３版，北京：高等教育出版社，　２００３：１５０．１６５．　［９］　郭辉萍，刘学观．电磁场与电磁波［Ｍ］．２版．西安：　西安电子科技大学出版社，２００５：ｌ５０．１５７．　［１０］朱守正，匡磊，陈荣标．天线手册【Ｍ］．北京：人民　邮电出版社。２００９：３６．３７．　［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）：３２—３４．　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　［３】孙晓雅，李永倩，李天，李晓菲．基于光纤光栅的开　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）　ｔｏ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ＰＶ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．　ｅｔ　ａ１．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００６，　［５】ＨＳＩＥＨ　Ｇ　Ｃ，ＨＳＩＥＨ　Ｈ　Ｉ，ＴＳＡＩ　Ｃ　ＰｈｏｔＯｖｏｌｔａｉｃ　Ｐｏｗｅｒ—Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ．Ａｉｄｅｄ　Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａ１．　５３（４）：１０５５－１０６５．　Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ＭＰＰＴ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ－ｐｈａｓｅｄ　ｔｒａｃｋｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３，２８（６）：　２８９５—２９１１．　［１１】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）：１０５—１０９．　［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）：２４９—２５２．　［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）：６２—６７．　［７】　原敬磊，张建成．一种改进的变步长电导增量光伏　电源ＭＰＰＴ控制方法【Ｊ】．电网与清洁能源，２０１２，　２８（１）：７５—７９．　［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］．可再生能源，２０１３，３１（１）：　１７．２０．　【８］赖东升，杨苹．一种应用于光伏发电ＭＰＰＴ的变步　长电导增量法［Ｊ】．电力电子技术，２０１２，４６（３）：４０－４２．　［９】ＰＡＮ　Ｃ　Ｔ，ＣＨＥＮ　Ｊ　ＣＨＵ　Ｃ　ｅｔ　ａ１．Ａ　ｆａｓｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔ　ｔｒａｃｋｅｒ　ｆｏｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９９．ＩＥＣＯＮ’９９　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　Ｔｈｅ　２５ｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ，　［１４］赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等．太阳能光伏发电及其　应用【Ｍ］．北京：科学出版社，２００５：２７—２８．　［１５】叶秋香．光伏电池最大功率跟踪器的模糊控制及其　应用［Ｄ］．上海：东华大学，２００６．．　１９９９：３９０—３９３．　作者简介　李晨霞（１９８５一），女，硕士研究生，研究方向为电能质量与电力市　场。　［１０］ＭＵＴＯＨ　Ｎ，ＯＨＮＯ　Ｍ，ＩＮＯＵＥ　Ｔ．Ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ＭＰＰＴ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｈｉｌｅ　ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｆｏｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　２０１４￣５　毫｜－ｌ教琳Ｉ　５３