换流阀防火监测装置结构设计及散热性能研究

王 凯，毛志云，宋全刚，屈 琳，张晓鸽，高春艳

(1.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；2.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

目前，中国已投运的高压、特高压直流工程近30条，我国直流输电工程数量居全球首位，换流阀属于直流输电工程的核心设备[1-2]，其作用是实现交直流电的转换。

换流阀主要由晶闸管及其控制单元、电容、电阻，饱和电抗器，水路系统和避雷器以及结构件等组成，长期运行在高电压、大电流、强电磁的复杂环境下。近年来，国内外换流阀火灾事故已发生几十起，造成了很大的经济损失。

在换流阀阀厅防火监测方面，国内外进行了大量研究，韦鹏设计出一种阀厅智能巡检机器人系统，王抗提出将紫外检测和烟雾结合后应用在高压直流换流阀火灾探测系统中，刘艳华提出将红外智能监控系统应用在特高压阀厅中使用，分别从静动态监测方面实现阀厅的火灾监测[3-6]，但目前阀厅防火监测系统存在监测精度不足和时效性差的问题，因此，亟待提升换流阀阀厅及阀塔防火监测能力，及时发现并处理火情。

为弥补阀厅监测系统的不足，针对换流阀阀塔内部火灾监测进行研究，研制出一种植入换流阀阀塔内部的防火监测装置，该装置可以实时监控阀塔内部关键元器件的状态和温度。一旦阀塔内部元器件起火，阀塔防火监测装置能及时发现火情。

为保证装置在复杂电磁环境下正常工作，需对其进行散热性能分析。本文首先提出防火检测装置的结构设计方案，而后依据散热基本原理，利用有限元分析方法对防火监测装置的散热性能进行分析，最后试制防火监测装置的样机，并结合软件后台对防火监测装置成像关键技术进行试验验证，结果表明该装置完全满足工程使用要求，可大幅提高火情监测精度。

1 防火监测装置设计

换流阀自身的特殊电磁环境特性，要求其内部植入元件必须具备如下特性：结构紧凑，外形保持曲面，避免棱角凸起；具备良好散热性能。

防火监测装置主要包含成像模块、供能模块和通信模块，其中成像及通信模块背部安装一块自制铝散热器，结合阀塔的运行特性和金属壳体机械加工工艺性，综合布局后将模块集成在一近似球状的铝合金壳体内，铝壳厚1 mm，半球最大直径为120 mm，壳体表面开有直径2.5 mm均匀分布的散热孔(见图1)。该装置具有质量轻、强度大、结构紧凑、可在0～30°角范围内调整监控视角、适合不同电压等级换流阀使用等特点。

图1 防火监测装置

防火监测装置直接安装在阀塔层间的支承梁上，外壳与支承梁等电位连接。每个阀层布置2个监测装置就可以监测阀层的全部元件，防火监测装置单层布置及监测覆盖范围如图2所示。通过分层布置的防火监测装置，可实现对阀塔关键零部件的全景监测，以国内运行的某工程±800 kV换流阀为例，对加装防火监测装置后的阀塔进行绝缘设计和电磁场仿真校核，阀塔内部的电气间隙和磁场均满足设计要求。

图2 防火监测装置布置及监测范围示意图

2 散热性能评估

高温会导致元器件性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障[7]。防火监测装置设计时采用自然对流散热，为保证装置内部元件的温度在合理范围内，使用ANSYS软件Icepak模块对装置进行有限元分析，计算其内部的温度场和流场。

为了提高计算效率，对模型中的元件进行简化，忽略对结果影响较小的特征。分析主要步骤如下：对模型添加材料属性，之后设置模型的计算区域。模型网格划分时选用Mesher-HD，求解设置中采用自然对流散热，同时打开重力选项和辐射换热选项；将环境温度30 ℃作为温度边界条件，发热元件设置：热成像模块发热量2 W，通信模块发热量1 W，以上设置完成后对数值模型进行求解。

模型求解结束后，为观察装置内部元件的温度分布状况，提取关键元件的温度(见图3)，最高温度为43.44 ℃，位于通信模块上，主要元件的温度值见表1，装置的内部元件温度均满足长期使用要求。

图3 装置内部元件温度云图

表1 关键元件温度值

为观察防火监测装置模型内部的流场，提取模型截面上的速度矢量图(见图4)，模型内部空气流动均匀，表明防火监测装置的散热设计较为合理。

图4 速度矢量图

3 样机试制及关键技术验证

防火监测装置实现对阀塔关键零部件的实时全景监测。通过控制成像模块，实现可见光成像模块和热成像模块运行控制和数据输出。实现对火灾现场的视频信息、火情变化的实时获取，为灭火操作提供依据。

阀塔防火监测装置获取阀组件的图像信息主要依靠可见光摄像头和热成像监测器，热成像监测器获取的是红外图像，主要反映器件的温度，其对器件的纹理特征不敏感，因此需要借助于自然图像易识别器件的特点，配准和融合自然图像，以获取温度过高的器件信息[8-11]。防火监测装置通过采用基于像素级的配准方法，对红外图像进行插值，从而实现红外成像和可见光图像的融合处理。火灾监测装置的成像终端样机控制架构图如图5所示。

图5 成像终端样机控制架构

防火监测装置的成像模块包含一个Lepton红外热成像模组和一个OV5640(CMOS传感器)可见光成像模组。控制模块则主要是主控芯片及SRAM存储单元，主控芯片为MAX10 FPGA芯片实现Lepton探头和OV5640探头的控制和数据接收，并进行数据的缓存(缓存芯片SRAM)，实时上传采集的每行数据。供能部分采用激光取能技术，通过光电池将激光信号转换为电功率实现装置的取能。考虑到实际应用环境限制和数据量，成像模块与监控柜的监控单元采用光纤通信，数据通信格式采用自定义异步串行通信方式。

根据图像融合实现方案，试制出防火装置的样机，并搭建技术验证平台，以换流阀组件为对象，分别对红外成像、可见光成像的图片进行采集(见图6)。

图6 未融合前图像

后台软件对缓存后的可见光图像数据自动转换格式，通过调整检测范围和融合度显示出不同的增长效果，融合后图像如图7所示，成像系统的图像融合效果达到预期要求，其成像关键技术通过试验验证。

图7 融合后图像

4 结语

将防火监测装置植入到换流阀阀塔，对阀塔内部电场分布影响不大，不影响换流阀元件的使用。通过有限元分析软件对防火检测装置进行散热性能分析，得出内部电子元件最高温度为43.4 ℃，且装置的内部空气流动均匀，说明装置结构设计合理，散热性能良好。

结合火灾监测软件后台对防火监测装置的成像系统等关键技术进行了试验验证，防火监测装置可实时监测阀塔内部元件的运行状态，及时发现阀塔内部火情并精准定位，应用后将会大大提高阀厅防火的精度，具有广阔的应用前景。