陳茂忠 李志雄 朱 寶 李 曉

（1. 廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2. 武漢烽火富華電氣有限責(zé)任公司，武漢 430074）

開關(guān)柜內(nèi)電磁場分布的駐波特性研究及其應(yīng)用

陳茂忠1李志雄2朱 寶2李 曉2

（1. 廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2. 武漢烽火富華電氣有限責(zé)任公司，武漢 430074）

基于聲表面波溫度傳感器的無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在開關(guān)柜內(nèi)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)過熱故障隱患的早期預(yù)警，保障高壓開關(guān)設(shè)備的長期可靠運(yùn)行。而傳感器的無源、無線的特性，要求發(fā)射天線與傳感器天線之間存在良好的電磁場分布以保證可靠的溫度信號采集。本文深入分析了開關(guān)柜內(nèi)電磁場分布的駐波特性，并對影響駐波特性的因素做了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，最后提出了它對基于聲表面波溫度傳感器的無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)工程應(yīng)用的啟示。

SAW；高壓開關(guān)柜；駐波特性；HFSS仿真

高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要基礎(chǔ)設(shè)備，擔(dān)負(fù)著關(guān)合電力線路、保護(hù)系統(tǒng)安全的雙重功能。在其長期運(yùn)行過程中，導(dǎo)電觸點(diǎn)的接觸特性直接影響開關(guān)柜工作的可靠性[1]。高壓開關(guān)柜由于環(huán)境振動、觸頭燒蝕等原因，引起觸點(diǎn)溫度升高、氧化，可能導(dǎo)致觸頭局部熔焊、產(chǎn)生火花甚至放電，引發(fā)停電、火災(zāi)事故[2]。因此，電力企業(yè)迫切需要一種用于高壓開關(guān)柜觸點(diǎn)溫度原位置、實(shí)時、在線監(jiān)測的低成本儀器，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)過熱故障隱患的早期預(yù)警，確保高壓開關(guān)電器的長期可靠運(yùn)行。

高壓開關(guān)柜觸點(diǎn)溫度的測量，目前主要采用紅外輻射傳感器、石英晶體、光纖 Bragg光柵傳感器[3-4]和SAW溫度傳感器[5-6]；溫度信號的傳輸，主要采用電纜或光纖。

本研究使用基于 SAW 溫度傳感器的無源無線溫度實(shí)時在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，主要有SAW溫度傳感器，采集終端，后臺軟件組成。為了獲得全封閉的高壓開關(guān)柜在不同狀態(tài)下的電磁場分布信息，掌握監(jiān)測儀器信號采集、傳輸?shù)墓ぷ鳝h(huán)境[7]本文以無源無線溫度傳感系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析驗(yàn)證了開關(guān)柜內(nèi)的不同狀態(tài)下電磁場的分布特性。

1 理論分析

下面是諧振腔內(nèi)電場振蕩分布的推導(dǎo)[8]：

如圖1所示，取金屬壁的內(nèi)表面分別為x=0和L1，y=0和 L2，z=0和 L3面。腔內(nèi)電磁波的電場和磁場任一直角分量都滿足亥姆霍茲方程。設(shè)u(x, y, z)為E或H的任一直角分量，有

圖 1

當(dāng)滿足關(guān)系式（7）和式（8）時，式（6）代表腔內(nèi)的一種諧振波模[10]，或稱為腔內(nèi)電磁場的一種本征振蕩。對每一組（m，n，p）值，有兩個獨(dú)立偏振波模。諧振頻率由式（4）和式（7），若m，n，p中有兩個為零，則場強(qiáng) E=0。若 L1≥L2≥L3則最低頻率的諧振波模為（1，1，0），其諧振頻率為

此波長與諧振腔的線度同一數(shù)量級。在微波技術(shù)中通常用諧振腔的最低波模來產(chǎn)生特定頻率的電磁振蕩。在更高頻率情況下也用到諧振腔的一些較高波模。

由理論推導(dǎo)可知，對于密閉的金屬腔體內(nèi)的電磁場分布呈現(xiàn)駐波特性，即在腔體內(nèi)，不同位置的電磁場的幅值呈現(xiàn)交替變化，周期性的特點(diǎn)，而且這些特點(diǎn)僅由密閉腔體的長寬高尺寸 L1、L2、L3決定；特別指出的是電磁分布的周期性的最大波長由腔體L1、L2、L3中的兩個稍大值決定。

2 仿真模型的建立與邊界條件

2.1 仿真模型的建立

ABC三相銅制相線上端與電流互感器相連，下端與接地開關(guān)相連。測得公司KYN28型開關(guān)柜內(nèi)部的外形尺寸（包括斷路器室以下部分）寬度為800mm、深度為800mm、長度為1200mm。依據(jù)尺寸建立仿真模型，并均勻設(shè)置了三相母排，母排寬度為100mm、厚度為5mm，如圖2所示。

圖2 開關(guān)柜內(nèi)電磁場仿真模型

為了簡化高壓開關(guān)柜的三維電磁場數(shù)值仿真計算，根據(jù)實(shí)際情況作以下假設(shè)：

1）只考慮三相相線傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的電磁場。

2）三相線上端接50Hz交流電壓，兩相間相位差2π/3，三相相線下端接地。

3）柜體電磁絕緣。

4）柜內(nèi)的空氣均勻、封閉。

5）材料各向同性。

電磁場仿真簡化模型如圖2所示。三維電磁場仿真計算需要確定相線與空氣的邊界條件、空氣壁的邊界條件。空氣壁是指與柜體接觸的空氣界面。

2.2 相線與空氣的邊界條件

媒質(zhì)l代表空氣，媒質(zhì) 2代表相線。在兩媒質(zhì)的界面上，邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[9]。

式（11）至式（14）表述了場的連續(xù)性邊界條件。式中的 n是垂直于界面的單位矢量，由媒質(zhì) 2（相線）指向媒質(zhì)1（空氣）。

2.3 空氣壁的邊界條件

由于假設(shè)柜體是電磁絕緣的，則空氣壁也是電磁絕緣的。

3 開關(guān)柜內(nèi)電場矢量分布

3.1 仿真結(jié)果

用 HFSS仿真系統(tǒng)按照以上的條件得到的仿真結(jié)果如下。

圖3 開關(guān)柜內(nèi)電場矢量分布

由仿真結(jié)果可以看出：

1）電磁場在母排上呈現(xiàn)周期性分布（駐波形態(tài)），電場幅度小的區(qū)域，對應(yīng)的磁場幅度大。

2）母排上，母排中心區(qū)域的電磁場幅度小，母排的邊沿，電磁場幅度大。

3）開關(guān)柜柜體表現(xiàn)出良好的屏蔽特性，電磁場幅度分布都極小。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本研究使用的是一款 TempTrackMFC測試軟件，它是無源無線在線溫度測試系統(tǒng)的一部分，主要負(fù)責(zé)將傳感器采集的溫度信息進(jìn)行數(shù)字化分析處理，實(shí)線監(jiān)控和查詢。它的界面如圖4所示。

圖4 TempTrackMFC測試軟件的界面

TempTrackMFC測試軟件的界面上可以讀出當(dāng)前的溫度值（T）和信號強(qiáng)度值（RX），開關(guān)柜內(nèi)、發(fā)射天線位置不變，探頭位置在母排上上下移動，驗(yàn)證母排上電場強(qiáng)度呈周期性的大小變化，使用的是1號和5號探頭。

圖5 1號和5號探頭分別在母排的上下位置與信號強(qiáng)度的關(guān)系曲線

探頭在母排的各個位置移動，就可以間接的測出母排上各個位置的電場強(qiáng)度和方向。由圖5可以看出，1號和 5號探頭隨著在母排上位置的改變，它們的信號強(qiáng)度都呈周期性強(qiáng)弱變化，表明母排上各個位置的電場強(qiáng)度呈周期性的強(qiáng)弱變化，這個結(jié)論與圖3的仿真結(jié)論吻合。

4 發(fā)射天線和母排在開關(guān)柜內(nèi)相對位置的改變對電磁場分布影響

4.1 發(fā)射天線在開關(guān)柜內(nèi)壁四周的位置改變

發(fā)射天線采用我們現(xiàn)有的倒F天線，設(shè)計天線的發(fā)射頻率為433MHz，加載仿真。在基本結(jié)果中，我們考察了電磁場幅度及電磁場矢量方向圖，數(shù)據(jù)繁多。由于天線的增益G正比于E的平方，而且天線的極化方向與電場的方向一致[10]，為此在以下的仿真結(jié)果中，僅考慮電場矢量圖。

圖6 發(fā)射天線位于開關(guān)柜左側(cè)發(fā)射天線四個方向旋轉(zhuǎn)母排區(qū)域電場矢量分布圖

圖7 發(fā)射天線位于開關(guān)柜右側(cè)發(fā)射天線四個方向旋轉(zhuǎn)母排區(qū)域電場矢量分布圖

圖8 發(fā)射天線位于開關(guān)柜底部發(fā)射天線四個方向旋轉(zhuǎn)母排區(qū)域電場矢量分布圖

仿真的基本結(jié)論1：

1）電場矢量在母排區(qū)域呈周期性分布（駐波形式），而且這種駐波形式與天線的放置方式無關(guān)，即天線任意放置，在母排區(qū)域，電場強(qiáng)區(qū)始終強(qiáng)度相對強(qiáng)，弱區(qū)始終強(qiáng)度相對弱。

2）發(fā)射天線放置方式改變會明顯改變母排區(qū)域電場的方向（天線的接收極性）。

3）發(fā)射天線放置方式改變會明顯改變母排區(qū)域電場分布的整體強(qiáng)度。

4.2 發(fā)射天線放置具體位置改變

圖9 發(fā)射天線位于開關(guān)柜左側(cè)放置具體位置改變時母排區(qū)域電場矢量分布圖

仿真的基本結(jié)論2：

發(fā)射天線放置位置改變會明顯改變母排區(qū)域電場分布的整體強(qiáng)度（但是不會改變電場強(qiáng)度的周期性特性）。

4.3 母排尺寸及在開關(guān)柜內(nèi)相對位置對電磁場分布的影響

圖10 母排尺寸及在開關(guān)柜內(nèi)相對位置改變，母排區(qū)域電場矢量分布圖

仿真的基本結(jié)論3：

母排尺寸及母排位置的變更不會改變電場矢量在開關(guān)柜內(nèi)的強(qiáng)弱周期分布。具體來講，母排的尺寸及相對位置的改變會改變母排上的電場的整體強(qiáng)度的分布，不會改變開關(guān)柜內(nèi)不同位置的電場強(qiáng)度分布的周期性，即不會改變開關(guān)柜內(nèi)電磁場分布的駐波特性。

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于在本文 3.2中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 TempTrackMFC測試軟件與仿真結(jié)果的一致性，所以這里我們可以借用測試軟件做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。即：在開關(guān)柜內(nèi)、測溫探頭位置不變，發(fā)射天線在柜壁上下左右移動，驗(yàn)證母排上，電場強(qiáng)度呈周期性的大小變化。我們在開關(guān)柜內(nèi)對發(fā)射天線左右和上下布置，分別把1號和5號探頭固定在母排上，使用TempTrack MFC測試軟件得到了以下的數(shù)據(jù)，我們繪制成圖形如圖11所示。

圖11 開關(guān)柜內(nèi)天線在柜壁左右和上下移動時，1號和5號探頭測得的信號強(qiáng)度曲線

實(shí)驗(yàn)表明：

1）發(fā)射天線在柜壁上下移動，系統(tǒng)信號強(qiáng)度在中間位置明顯呈現(xiàn)峰值的特點(diǎn)。

2）發(fā)射天線在柜壁上左右移動，在柜壁的兩個側(cè)端面，明顯出現(xiàn)信號強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與上面的仿真結(jié)論是相吻合的。

5 開關(guān)柜的本身尺寸對電磁場分布的影響

由以上分析的種種結(jié)論可知，發(fā)射天線及母排的放置位置不會影響開關(guān)柜內(nèi)電磁場分布的駐波特性，可以推知開關(guān)柜的本身尺寸決定了開關(guān)柜內(nèi)的電磁場分布的駐波特點(diǎn)，與我們前面的理論分析相吻合。通過與前面相同的仿真條件，我們改變天線放置方向和母排安放方式，做了以下仿真實(shí)驗(yàn)。

圖12 開關(guān)柜內(nèi)尺寸改變對電磁場分布的影響

由圖12可以看出，改變開關(guān)柜的尺寸可以改變電場矢量分布周期性分布的強(qiáng)弱位置，即改變駐波的分布特點(diǎn)。比較仿真結(jié)果和前面的理論分析，說明兩者吻合很好。

6 結(jié)論

本文深入分析了開關(guān)柜內(nèi)電磁場分布的駐波特性，得出開關(guān)柜本身尺寸是影響內(nèi)部電磁場駐波特性分布的惟一因素的結(jié)論。本文首先從可能影響其駐波特性的其他兩個因素（開關(guān)柜內(nèi)天線的放置位置和母排的位置）方面建模仿真和軟件驗(yàn)證了它們不能改變開關(guān)柜內(nèi)電磁場分布的駐波特性，然后理論驗(yàn)證了影響其駐波特性的惟一因素：開關(guān)柜的尺寸大小。得到了以下結(jié)論：

1）電磁場強(qiáng)度在母排上上下不同位置呈現(xiàn)周期性強(qiáng)弱分布，即駐波特性分布。

2）發(fā)射天線位置和母排尺寸及母排在柜體的位置的改變會顯著影響柜體內(nèi)整體的電磁場幅值，如結(jié)論3所示，不會改變柜體內(nèi)的電磁場分布的強(qiáng)弱的具體位置。

3）電磁場在母排上的駐波特性只由柜體的長、寬高尺寸相關(guān)，而與發(fā)射天線位置及母排的尺寸和母排在柜體的相對位置無關(guān)。

這些結(jié)論對工程安裝應(yīng)用的啟示：

1）首先確定了發(fā)射天線的安裝位置：發(fā)射天線位置正對母排駐波的波峰或者波谷的位置時，柜體內(nèi)的整體信號強(qiáng)度相對最好。

2）開關(guān)柜柜體尺寸及測溫探頭在柜體的具體位置基本決定探頭的能接受信號能力，在發(fā)射天線位置固定后，如果可能，可以移動探頭位置，改善信號強(qiáng)度。

3）探頭安裝在母排側(cè)邊上更好。

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Stationary Wave Characteristic Research and Application of the Electromagnetic Field Distribution in the Switch Cabinet

Chen Maozhong1 Li Zhixiong2 Zhu Bao2 Li Xiao2
(1. Huizhou Power Supply Bureau, Guangdong grid company, Huizhou, Guangdong 516001;2. Wuhan Fiberhome Fuhua Electric Co., Ltd, Wuhan 430074)

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.

SAW; high voltage switchgear; stationary wave characteristic; hfss simulation

陳茂忠（1974-），男，廣東潮陽人，廣東電網(wǎng)公司惠州供電局電力調(diào)度控制中心通信檢修主管，工程師。主要從事電力通信工作。