換流閥防火監測裝置結構設計及散熱性能研究

王 凱，毛志云，宋全剛，屈 琳，張曉鴿，高春艷

(1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

目前，中國已投運的高壓、特高壓直流工程近30條，我國直流輸電工程數量居全球首位，換流閥屬于直流輸電工程的核心設備[1-2]，其作用是實現交直流電的轉換。

換流閥主要由晶閘管及其控制單元、電容、電阻，飽和電抗器，水路系統和避雷器以及結構件等組成，長期運行在高電壓、大電流、強電磁的復雜環境下。近年來，國內外換流閥火災事故已發生幾十起，造成了很大的經濟損失。

在換流閥閥廳防火監測方面，國內外進行了大量研究，韋鵬設計出一種閥廳智能巡檢機器人系統，王抗提出將紫外檢測和煙霧結合后應用在高壓直流換流閥火災探測系統中，劉艷華提出將紅外智能監控系統應用在特高壓閥廳中使用，分別從靜動態監測方面實現閥廳的火災監測[3-6]，但目前閥廳防火監測系統存在監測精度不足和時效性差的問題，因此，亟待提升換流閥閥廳及閥塔防火監測能力，及時發現并處理火情。

為彌補閥廳監測系統的不足，針對換流閥閥塔內部火災監測進行研究，研制出一種植入換流閥閥塔內部的防火監測裝置，該裝置可以實時監控閥塔內部關鍵元器件的狀態和溫度。一旦閥塔內部元器件起火，閥塔防火監測裝置能及時發現火情。

為保證裝置在復雜電磁環境下正常工作，需對其進行散熱性能分析。本文首先提出防火檢測裝置的結構設計方案，而后依據散熱基本原理，利用有限元分析方法對防火監測裝置的散熱性能進行分析，最后試制防火監測裝置的樣機，并結合軟件后臺對防火監測裝置成像關鍵技術進行試驗驗證，結果表明該裝置完全滿足工程使用要求，可大幅提高火情監測精度。

1 防火監測裝置設計

換流閥自身的特殊電磁環境特性，要求其內部植入元件必須具備如下特性：結構緊湊，外形保持曲面，避免棱角凸起；具備良好散熱性能。

防火監測裝置主要包含成像模塊、供能模塊和通信模塊，其中成像及通信模塊背部安裝一塊自制鋁散熱器，結合閥塔的運行特性和金屬殼體機械加工工藝性，綜合布局后將模塊集成在一近似球狀的鋁合金殼體內，鋁殼厚1 mm，半球最大直徑為120 mm，殼體表面開有直徑2.5 mm均勻分布的散熱孔(見圖1)。該裝置具有質量輕、強度大、結構緊湊、可在0～30°角范圍內調整監控視角、適合不同電壓等級換流閥使用等特點。

圖1 防火監測裝置

防火監測裝置直接安裝在閥塔層間的支承梁上，外殼與支承梁等電位連接。每個閥層布置2個監測裝置就可以監測閥層的全部元件，防火監測裝置單層布置及監測覆蓋范圍如圖2所示。通過分層布置的防火監測裝置，可實現對閥塔關鍵零部件的全景監測，以國內運行的某工程±800 kV換流閥為例，對加裝防火監測裝置后的閥塔進行絕緣設計和電磁場仿真校核，閥塔內部的電氣間隙和磁場均滿足設計要求。

圖2 防火監測裝置布置及監測范圍示意圖

2 散熱性能評估

高溫會導致元器件性能改變甚至失效，從而引起整個電子設備的故障[7]。防火監測裝置設計時采用自然對流散熱，為保證裝置內部元件的溫度在合理范圍內，使用ANSYS軟件Icepak模塊對裝置進行有限元分析，計算其內部的溫度場和流場。

為了提高計算效率，對模型中的元件進行簡化，忽略對結果影響較小的特征。分析主要步驟如下：對模型添加材料屬性，之后設置模型的計算區域。模型網格劃分時選用Mesher-HD，求解設置中采用自然對流散熱，同時打開重力選項和輻射換熱選項；將環境溫度30 ℃作為溫度邊界條件，發熱元件設置：熱成像模塊發熱量2 W，通信模塊發熱量1 W，以上設置完成后對數值模型進行求解。

模型求解結束后，為觀察裝置內部元件的溫度分布狀況，提取關鍵元件的溫度(見圖3)，最高溫度為43.44 ℃，位于通信模塊上，主要元件的溫度值見表1，裝置的內部元件溫度均滿足長期使用要求。

圖3 裝置內部元件溫度云圖

表1 關鍵元件溫度值

為觀察防火監測裝置模型內部的流場，提取模型截面上的速度矢量圖(見圖4)，模型內部空氣流動均勻，表明防火監測裝置的散熱設計較為合理。

圖4 速度矢量圖

3 樣機試制及關鍵技術驗證

防火監測裝置實現對閥塔關鍵零部件的實時全景監測。通過控制成像模塊，實現可見光成像模塊和熱成像模塊運行控制和數據輸出。實現對火災現場的視頻信息、火情變化的實時獲取，為滅火操作提供依據。

閥塔防火監測裝置獲取閥組件的圖像信息主要依靠可見光攝像頭和熱成像監測器，熱成像監測器獲取的是紅外圖像，主要反映器件的溫度，其對器件的紋理特征不敏感，因此需要借助于自然圖像易識別器件的特點，配準和融合自然圖像，以獲取溫度過高的器件信息[8-11]。防火監測裝置通過采用基于像素級的配準方法，對紅外圖像進行插值，從而實現紅外成像和可見光圖像的融合處理。火災監測裝置的成像終端樣機控制架構圖如圖5所示。

圖5 成像終端樣機控制架構

防火監測裝置的成像模塊包含一個Lepton紅外熱成像模組和一個OV5640(CMOS傳感器)可見光成像模組?？刂颇K則主要是主控芯片及SRAM存儲單元，主控芯片為MAX10 FPGA芯片實現Lepton探頭和OV5640探頭的控制和數據接收，并進行數據的緩存(緩存芯片SRAM)，實時上傳采集的每行數據。供能部分采用激光取能技術，通過光電池將激光信號轉換為電功率實現裝置的取能。考慮到實際應用環境限制和數據量，成像模塊與監控柜的監控單元采用光纖通信，數據通信格式采用自定義異步串行通信方式。

根據圖像融合實現方案，試制出防火裝置的樣機，并搭建技術驗證平臺，以換流閥組件為對象，分別對紅外成像、可見光成像的圖片進行采集(見圖6)。

圖6 未融合前圖像

后臺軟件對緩存后的可見光圖像數據自動轉換格式，通過調整檢測范圍和融合度顯示出不同的增長效果，融合后圖像如圖7所示，成像系統的圖像融合效果達到預期要求，其成像關鍵技術通過試驗驗證。

圖7 融合后圖像

4 結語

將防火監測裝置植入到換流閥閥塔，對閥塔內部電場分布影響不大，不影響換流閥元件的使用。通過有限元分析軟件對防火檢測裝置進行散熱性能分析，得出內部電子元件最高溫度為43.4 ℃，且裝置的內部空氣流動均勻，說明裝置結構設計合理，散熱性能良好。

結合火災監測軟件后臺對防火監測裝置的成像系統等關鍵技術進行了試驗驗證，防火監測裝置可實時監測閥塔內部元件的運行狀態，及時發現閥塔內部火情并精準定位，應用后將會大大提高閥廳防火的精度，具有廣闊的應用前景。