開關柜內電磁場分布的駐波特性研究及其應用

陳茂忠 李志雄 朱 寶 李 曉

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

開關柜內電磁場分布的駐波特性研究及其應用

陳茂忠1李志雄2朱 寶2李 曉2

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

基于聲表面波溫度傳感器的無源無線溫度在線監測系統在開關柜內的應用，可實現觸點過熱故障隱患的早期預警，保障高壓開關設備的長期可靠運行。而傳感器的無源、無線的特性，要求發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柜內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驗驗證分析，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測系統工程應用的啟示。

SAW；高壓開關柜；駐波特性；HFSS仿真

高壓開關柜作為發電廠、變電站中的重要基礎設備，擔負著關合電力線路、保護系統安全的雙重功能。在其長期運行過程中，導電觸點的接觸特性直接影響開關柜工作的可靠性[1]。高壓開關柜由于環境振動、觸頭燒蝕等原因，引起觸點溫度升高、氧化，可能導致觸頭局部熔焊、產生火花甚至放電，引發停電、火災事故[2]。因此，電力企業迫切需要一種用于高壓開關柜觸點溫度原位置、實時、在線監測的低成本儀器，實現觸點過熱故障隱患的早期預警，確保高壓開關電器的長期可靠運行。

高壓開關柜觸點溫度的測量，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時在線監測管理系統，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柜在不同狀態下的電磁場分布信息，掌握監測儀器信號采集、傳輸的工作環境[7]本文以無源無線溫度傳感系統為基礎，分析驗證了開關柜內的不同狀態下電磁場的分布特性。

1 理論分析

下面是諧振腔內電場振蕩分布的推導[8]：

如圖1所示，取金屬壁的內表面分別為x=0和L1，y=0和 L2，z=0和 L3面。腔內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u(x, y, z)為E或H的任一直角分量，有

圖 1

當滿足關系式（7）和式（8）時，式（6）代表腔內的一種諧振波模[10]，或稱為腔內電磁場的一種本征振蕩。對每一組（m，n，p）值，有兩個獨立偏振波模。諧振頻率由式（4）和式（7），若m，n，p中有兩個為零，則場強 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量級。在微波技術中通常用諧振腔的最低波模來產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。

由理論推導可知，對于密閉的金屬腔體內的電磁場分布呈現駐波特性，即在腔體內，不同位置的電磁場的幅值呈現交替變化，周期性的特點，而且這些特點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，下端與接地開關相連。測得公司KYN28型開關柜內部的外形尺寸（包括斷路器室以下部分）寬度為800mm、深度為800mm、長度為1200mm。依據尺寸建立仿真模型，并均勻設置了三相母排，母排寬度為100mm、厚度為5mm，如圖2所示。

圖2 開關柜內電磁場仿真模型

為了簡化高壓開關柜的三維電磁場數值仿真計算，根據實際情況作以下假設：

1）只考慮三相相線傳導電流產生的電磁場。

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l代表空氣，媒質 2代表相線。在兩媒質的界面上，邊界條件的數學表達式如下[9]。

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

2.3 空氣壁的邊界條件

由于假設柜體是電磁絕緣的，則空氣壁也是電磁絕緣的。

3 開關柜內電場矢量分布

3.1 仿真結果

用 HFSS仿真系統按照以上的條件得到的仿真結果如下。

圖3 開關柜內電場矢量分布

由仿真結果可以看出：

1）電磁場在母排上呈現周期性分布（駐波形態），電場幅度小的區域，對應的磁場幅度大。

2）母排上，母排中心區域的電磁場幅度小，母排的邊沿，電磁場幅度大。

3）開關柜柜體表現出良好的屏蔽特性，電磁場幅度分布都極小。

3.2 實驗驗證

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的一部分，主要負責將傳感器采集的溫度信息進行數字化分析處理，實線監控和查詢。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前的溫度值（T）和信號強度值（RX），開關柜內、發射天線位置不變，探頭位置在母排上上下移動，驗證母排上電場強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度的關系曲線

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，它們的信號強度都呈周期性強弱變化，表明母排上各個位置的電場強度呈周期性的強弱變化，這個結論與圖3的仿真結論吻合。

4 發射天線和母排在開關柜內相對位置的改變對電磁場分布影響

4.1 發射天線在開關柜內壁四周的位置改變

發射天線采用我們現有的倒F天線，設計天線的發射頻率為433MHz，加載仿真。在基本結果中，我們考察了電磁場幅度及電磁場矢量方向圖，數據繁多。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果中，僅考慮電場矢量圖。

圖6 發射天線位于開關柜左側發射天線四個方向旋轉母排區域電場矢量分布圖

圖7 發射天線位于開關柜右側發射天線四個方向旋轉母排區域電場矢量分布圖

圖8 發射天線位于開關柜底部發射天線四個方向旋轉母排區域電場矢量分布圖

仿真的基本結論1：

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

2）發射天線放置方式改變會明顯改變母排區域電場的方向（天線的接收極性）。

3）發射天線放置方式改變會明顯改變母排區域電場分布的整體強度。

4.2 發射天線放置具體位置改變

圖9 發射天線位于開關柜左側放置具體位置改變時母排區域電場矢量分布圖

仿真的基本結論2：

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

4.3 母排尺寸及在開關柜內相對位置對電磁場分布的影響

圖10 母排尺寸及在開關柜內相對位置改變，母排區域電場矢量分布圖

仿真的基本結論3：

母排尺寸及母排位置的變更不會改變電場矢量在開關柜內的強弱周期分布。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度的分布，不會改變開關柜內不同位置的電場強度分布的周期性，即不會改變開關柜內電磁場分布的駐波特性。

4.4 實驗驗證

由于在本文 3.2中實驗驗證了 TempTrackMFC測試軟件與仿真結果的一致性，所以這里我們可以借用測試軟件做進一步的實驗驗證。即：在開關柜內、測溫探頭位置不變，發射天線在柜壁上下左右移動，驗證母排上，電場強度呈周期性的大小變化。我們在開關柜內對發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據，我們繪制成圖形如圖11所示。

圖11 開關柜內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度曲線

實驗表明：

1）發射天線在柜壁上下移動，系統信號強度在中間位置明顯呈現峰值的特點。

2）發射天線在柜壁上左右移動，在柜壁的兩個側端面，明顯出現信號強度下降的現象。

上述的實驗現象與上面的仿真結論是相吻合的。

5 開關柜的本身尺寸對電磁場分布的影響

由以上分析的種種結論可知，發射天線及母排的放置位置不會影響開關柜內電磁場分布的駐波特性，可以推知開關柜的本身尺寸決定了開關柜內的電磁場分布的駐波特點，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，做了以下仿真實驗。

圖12 開關柜內尺寸改變對電磁場分布的影響

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

6 結論

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

1）電磁場強度在母排上上下不同位置呈現周期性強弱分布，即駐波特性分布。

2）發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整體的電磁場幅值，如結論3所示，不會改變柜體內的電磁場分布的強弱的具體位置。

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，而與發射天線位置及母排的尺寸和母排在柜體的相對位置無關。

這些結論對工程安裝應用的啟示：

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

2）開關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，改善信號強度。

3）探頭安裝在母排側邊上更好。

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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，廣東電網公司惠州供電局電力調度控制中心通信檢修主管，工程師。主要從事電力通信工作。