基于数字孪生的配电开关柜温度传感器数据可靠性研究

王瑞果，丁 健，王颖舒，刘 波，张 杰，梅家葆，李江涛

(1.贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州 贵阳 550000；2.电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)，陕西 西安 710049)

随着电力系统的发展，对配电网的供电可靠性的要求日益提高，需要通过多种安全措施保障配电网运行安全。配电开关柜作为配电网中控制、保护的重要电力设备，其运行状态关系到整个电网的安全运行[1]。当开关柜内部出现接触不良或氧化老化，可能使开关柜内部出现局部温度过高，引起开关柜整体温度过限，严重情况下会导致爆炸[2]。因此，温度状态作为反应开关柜的运行状态的关键测量，需要通过在线温度监测对开关柜内进行实时监测。通过开关柜的实时温度监测，实现开关柜内部温度异常预警，确保电网的安全可靠运行[3]。

温度状态监测的可靠性需要依靠温度传感器的性能以及安装布置的合理性。温度传感器性能影响因素主要包括测量方法、测量精度、测量范围以及寿命老化等。安装布置合理性主要考虑应用环境、安装方式、布置测量等因素[4]。依据温度传感器测温方法分类，应用较广的比较成熟的配电开关柜的温度监测方式有:示温蜡片、光纤测温方法、红外测温方法、数字式测温方法等几种测温方法[5]。数字式测温方式中，射频识别测温方法通过射频识别和温度传感结合的方式，有效识别对应测点温度，无线传输方式不限制传感器布置位置，兼顾元件性能和布置位置，符合传感器无源化、无线化、智能化的发展趋势，本文针对数字式射频识别温度传感器的数据可靠性进行相关研究。

图1 传统温度传感器的布置和封装Fig.1 Layout and encapsulation of conventional temperature sensors

传统的布置方法往往根据经验进行布置，传感器的安装随机性较大，难以适应日益提高的数据可靠性要求，如图1。国内外学者对于安装布置合理性的研究主要通过实验结合仿真的方式开展，通过建立仿真模型，对电气设备的温度场和状态传感设备的数据可靠性及影响因素进行了一系列的研究。文献[6]通过仿真研究了220kV GIS的温度分布特征，给出了导体温度与外壳温度的数值关系。在文献[7]中，研究了开关柜进气速度、通气孔数量及其位置对开关柜温度场分布的影响。对高压开关柜温升进行了模型分析，并提出了降低温升的措施。文献[8]提出了一种简化模型的温度监测方法，实现了温度报警功能，避免了过热引起的事故。文献[9]探讨了开关柜环形弹簧接触力的建模方法，为高压开关设备的温度传感器设计和设备布置提供了依据。基于目前电力工业数字孪生的发展，精细化数字模型的建立对于开关柜温度监测有着重要的作用，本文针对10kV开关柜建立精细化数字模型，并进行对应温度场分布研究。

考虑到温度传感器的传统布置和封装方式导致温度传感器测量精度下降，本文通过建立应用于数字孪生的开关柜精细化数字模型，对温度场的仿真得到开关柜内温度场的分布情况，提出了温度传感器的总体安装布置方案。研究传感器不同封装方式下，热传导和热对流对数据可靠性的不同影响。对传感器封装方法进行了仿真研究，得到优于传统方法的改良传感器封装模型。

1 基于数字孪生的开关柜热电耦合模型

1.1 电力设备数字孪生系统搭建

电力设备数字孪生整体架构服务于电力设备的全生命周期的每个环节，能够为电力设备的安全可靠数字化运行提供完整的架构支撑。数字孪生的技术架构分为四个层次:物理层、通信层、虚拟层和应用层[10]。

物理层是指电力装备的全生命周期过程中的不同方面的所有要素的集合，涉及人员、机械、物料、规则、环境等全方位要素，主要功能为状态监测和数据采集，是电力设备数字孪生的基础。多种参量的传感技术是电力设备数字孪生的物理层的应用基础[11]。

通信层是指桥联物理层和虚拟层的数据服务。物理层采集的数据和虚拟层的控制指令，通过通信层进行数据传输、指令发送和远程控制。专用于电力系统的通信方式、无线自组网信号传输和5G技术为电力装备的多源异构信息流提供可靠多变的数据传输[12]。

虚拟层是电力设备在信息空间的虚拟映射，是数字孪生体的所有数据的集合。虚拟层功能为模型建立、仿真计算、数据处理和智能分析[13]。虚拟层的功能基于精细化模型的建立，虚拟层需要大量模型的建立以完善电力设备全生命周期的模型数据库，以此达到电力设备的全数字化管理的最终目的。

应用层是对前三层的结合应用，在数字孪生建模仿真的基础上，上层建立不同的应用模块，为多种功能多种方向提供针对性服务，应用层提供的服务可以满足电网系统的各项需求[14]。

根据数字孪生四层结构理论，基于无源无线的温度传感技术可以满足应用层对于设备全生命周期温度监测的目的，通过无线自组网的RFID技术可以实现无线自组网的数据上下行传输和指令控制的远距离发送，精细化模型的建立作为数据孪生模型库的基础有着重要的意义[15]。基于四层理论，为提高数字孪生四层结构下的温度监测的数据可靠性，需要建立配电开关柜的精细化模型和提高传感器终端物理层精确度，为电力系统数字孪生提供可靠有效的全生命周期管理。

1.2 开关柜虚拟层温度场仿真原理

在数字孪生四层结构中，物理层的感知和虚拟层的模型，是决定数字孪生系统搭建的关键。虚拟层的数字孪生体的模型搭建及计算是数字孪生的内在核心[16]，其中，开关柜温度场主要由接触电阻和热传导两个因素共同决定。

开关柜的温升与电路电阻的大小密切相关，而接触电阻是电路中发热电阻的主要组成部分，因此接触电阻的大小是决定开关柜温升状态的重要因素。为了建立合理的开关柜数字孪生体，需要将接触电阻在模型中进行具体计算和仿真。开关柜各部位接触电阻分为收缩电阻和膜电阻[17]。其中，收缩电阻是接触面上接触点电流线收缩的等效性能，是反映电流路径增大和有效导电面积减小的一种附加电阻。膜电阻是接触面所覆盖的表面膜的附加电阻，在工程研究中，接触点数和平均半径的测量困难且准确度较低，通常采用经验公式进行计算等效。

式中R为接触电阻，F为接触压力，m为与接触形式、压力范围和接触点数有关的指标，kj为与接触材料和表面条件有关的系数。

根据傅里叶定律，热传导反映不同物体和系统内部温度差的传导作用，单位时间的热传导与温度梯度和垂直于热流方向的截面积成正比[18]。根据开关柜各部分的结构，通过温度传感器的导热系数和导热面积，计算得出开关柜导热过程的温度场分布。

其中Q为换热速率，A为垂直于表面积热流方向的导热面积，为相邻等温面温差与法向相距离之比，λ为导热系数。导热系数反映了材料的传热能力，定义为单位时间内单位温度梯度通过单位导热面传递的热量。影响导热系数的主要因素是材料的结构[19]。

1.3 开关柜孪生体模型搭建

在数字孪生虚拟层中，建立KYN 28配电开关柜的高精度精细化模型。在细化模型的基础上，将电磁、传热和对流耦合多物理场应用到模型中，研究多物理场下配电开关设备的温度分布。

图2 高精度开关柜数字孪生体Fig.2 Digital twin of high precision switchgear

在仿真计算过程中，物理模型的精细度会影响网格的分裂效果和计算代价的结果。为了提高求解计算的收敛程度，有必要根据实际工程经验和对温度分布结果的影响程度，对模型进行合理简化[20]。本文旨在通过仿真研究配电开关柜的整体温度分布，指导传感器在开关柜中的布置。对无影响或影响较小的绝缘元件和开关设备结构进行了简化，对母线和触点的结构进行了合理的等效简化。简化后的开关柜模型如图3所示。

图3 低压开关设备仿真模型Fig.3 Simulation model of low voltage switchgear

根据实际测量计算，真空灭弧室断路器的接触电阻、电流互感器的接触电阻、梅花触头和静态触点的接触电阻分别设置为5μΩ、3μΩ和10μΩ。开关柜各相电路的总接触电阻为28μΩ。

RFID温度传感器由绝缘硅橡胶封装和陶瓷封装金属基铜复合板组成。在换热对流过程中，传感器的整体温度分布主要由绝缘硅橡胶的导热系数决定。在仿真计算过程中，传感器的总导热系数为0.27W/(m·K)。

2 开关柜数字孪生体应用层功能实现

2.1 开关柜孪生体温度场仿真

建立开关柜的数字孪生体基础上，在孪生体中加入热电耦合激励，对开关柜内部温度场进行仿真。从计算结果进行分析，图4为1000A负荷电流30℃环境温度工况下的开关柜温度场分布情况。

图4 低压开关柜温度分布Fig.4 Temperature distribution of low voltage switchgear

根据开关柜温度场仿真结果，真空灭弧室最高温度为51.14℃，沿电流传输方向逐渐降低，在梅花触头位置再次上升至48℃(321K)。同时母线和电流互感器的温度为高温点，分别为45℃(318K)和46℃(319K)。开关柜的温度场分为三个热点:梅花触头、母线和电流互感器，其中梅花触头是可测温度最高的位置。配电开关柜温度分布规律可总结如下:上柜室温度整体大于下柜室温度，中间回路温度整体大于两侧回路温度。由于柜体内部没有强制散热措施，空气受热密度变小，向上自然流动，热量明显集中于上柜内，因此孪生体仿真得到的结果符合实际情况。

2.2 开关柜孪生体多工况温度场仿真

开关柜的影响因素根据分析，主要影响因素为接触电阻和热传导，对开关柜孪生体进行接触电阻控制变量，进行异常状态的多工况温度场仿真。

当上方或下方梅花触头整体接触状态异常时，即在仿真分别设置上下方梅花触头处接触电阻为正常状态10倍，开关柜导电回路温度分布如图5所示。当上方梅花触头整体接触状态异常时，上方梅花触头温度依次为，A相114.6℃；B相115.2℃；C相114.8℃。相比于正常状态依次增加了238.8%，240%，239.2%。上方母线温升明显增加，下方梅花触头温度也有一定幅度增加，增加约35%，如图6。下方梅花触头接触状态异常时，从图中可以明显看出上下方梅花触头和母线温升均有较大幅度增加。

图5 上梅花触头接触状态异常温度场Fig.5 abnormal temperature field of plum contact under contact state

图6 下梅花触头接触状态异常温度场Fig.6 Abnormal temperature field of plum contact under contact state

真空断路器分合触头在分合中有一定的机械磨损。在仿真中增加分合触头处接触电阻模拟接触状态异常。将三相分合触头接触电阻增大10倍，得到的温度分布情况如图7所示。当分合触头处接触电阻变大，分合触头温升增加，分合触头两侧梅花触头以及母线温度均有所抬升。对于接触电阻变为正常接触的十倍运行条件下，六个动静触头温度分别提高为:A相上触头105℃、B相上触头108℃、C相上触头103℃、A相下触头87℃、B相下触头93℃、C相下触头88℃。

图7 分合触头接触状态异常温度场Fig.7 Abnormal temperature field in contact state of split and close contacts

3 开关柜传感器数据可靠性研究

3.1 数据可靠性原理

开关柜传感器数据可靠性主要通过本体封装和温度分布代表性来表征，其中温度分布代表性由开关柜温度孪生体的应用可以得到，通过对热电耦合的开关柜孪生体模型进行计算和仿真，可以得到对应的温度热点代表位置:开关柜梅花触头位置。对于本体封装的设计，通过对传感器封装结构设计和仿真进行数据可靠性的研究[21-26]。

3.2 传感器封装仿真

图8为传统封装温度传感器的温度分布，在传统封装方法下，温度传感器与梅花触头之间的接触面积较小，导致传热面积减小，影响温度传感器测温精度。在梅花触头48℃(321K)的情况下，采用常规封装法测得最高温度传感器为46.6℃(319.6K)，温度传感器与接触温度的最小温差为1.4℃。封装方式影响温度传感器的可靠性和准确性。

图8 未改进封装RFID温度传感器的温度分布Fig.8 Temperature distribution of the unmodified encapsulation RFID temperature sensor

图9为与梅花触头高度贴合的改性封装温度传感器的温度分布。改进了传统的封装方法，扩大了温度传感器与梅花触头之间的接触面积，增加了传热面积，改善了温度传感器的整体温度分布。在梅花触头48℃(321K)的条件下，改进的传感器封装温度传感器测得的温度为47.8℃(320.8K)，与接点温度的最小温差为0.2℃，是传统封装温度的1/7，提高了温度传感器的可靠性和准确性。

图9 改进封装RFID温度传感器的温度分布Fig.9 Temperature distribution of the modified encapsulation RFID temperature sensor

在分析不同封装方式温度传感器的可靠性和准确性的基础上，研究了不同封装方式温度传感器的温度分布和温度梯度，并分别进行了径向和周向分析。图10为不同传感器封装件的径向温度分布和温度梯度，图11为不同传感器封装件的周向温度分布和温度梯度。

表1 传感器不同封装设计径向温度分布Tab.1 Radial temperature distribution of sensors in different encapsulation designs

在径向温度分布上，改进后的温度传感器整体温度分布高于传统封装的温度传感器，如图10。考虑到温度传感器芯片沿径向排列位置与接触面有一定距离，改进后的温度传感器在1cm处的温度为45.4℃，比传统封装的45.2℃高0.2℃，具体数据如表1。两种封装方式的温度差随着径向逐渐接近，因此沿径向布置的传感器芯片离接触面越近，测温精度和可靠性就越高。

图10 传感器封装设计径向温度分布比较Fig.10 Comparison of radial temperature distribution in sensor encapsulation design

在周向温度分布中，改进后的温度传感器的温度分布均匀性与实际温度之间的差异减小，如图11。由于温度传感器封装的齿状结构增加了接触面积，传感器中间位置的温度降低量增加到45.2℃，比常规封装方法的43.5℃高出1.7℃，具体数据如表2。整体温度分布较为平滑，不会出现导致传感器加速老化的较大温差。改进后减少了传感器的损耗，提高了传感器的使用寿命。

图11 传感器封装设计的周向温度分布比较Fig.11 Comparison of circumferential temperature distribution in sensor encapsulation design

表2 传感器不同封装设计周向温度分布Tab.2 Circumferential temperature distribution of sensors with different encapsulation designs

4 结论

本文搭建了配电开关柜的数字孪生体系统，对数字孪生体的物理层、虚拟层和应用层进行设计，对不同传感器封装设计进行了仿真。主要结论如下:

(1)在KYN-28配电开关柜中，过热点的分布主要集中在梅花触头、母线和电流互感器中。其中，梅花触头的温度是三者中最高的，最能反映开关柜的温度状态。在布置温度传感器时，应优先考虑开关柜梅花触头的位置。

(2)根据传感器的温度分布模拟，发现传感器在径向和周向有较大的温度降低。温度的降低会导致传感器数据可靠性和测量精度的降低，不能反映开关柜的真实温度情况。降低导致温度监测失效。

(3)通过改进传统温度传感器的封装，提出了一种新的温度传感器封装方法，提高了温度传感器的测量精度和数据可靠性，提高了传感器的灵敏度和使用寿命。通过仿真和分析，证明了这种传感器封装可以有效避免温度降低和温度分布不均匀导致的传感器老化问题。