红外窗口在开关柜上的应用研究

摘 要 文章首先指出只有安装红外窗口才能有效实现对封闭式开关柜的温度监测，而后对红外窗口的材质深入讨论，并指出对开关柜母线室的电磁场进行仿真，将十分有助于测温实践。

关键词 红外窗口；开关柜；应用；材质

中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0076-01

开关负责在电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中执行通断、控制或保护等职能，通常将其密封使用。

1 封闭式开关柜监测方法分析

封闭式开关柜的正常和安全运行，事关着整个供电系统的生死，而90%的开关柜事故则都是由于触头发热引发，因此对于其运行温度应当严格进行监测。随着科技的发展，众多测温设备和技术层出不穷，但是在开关柜方面的应用都相对有限。

首先对于普通的热电偶、热电阻、半导体等借由相关媒体进行温度传感的测温技术手段，都难以应用于开关柜环境。这些测温方法都需要相应的传导媒体自高温柜中延伸至外界，且相应的传导媒体通常为金属导线，因此会导致开关柜的绝缘性收到一定程度的侵害，不利于开关柜的正常运行。光纤式测温设备作为一种较为新兴的温度监测手段有着一定的优势，并且可以在绝缘性方面保持良好状态，但是由于光纤不耐高温，且易折断，切造价偏高，因此在开关柜内部布线成为问题，最终导致该技术难以推广应用。除此以外，开关柜在运行过程中还需要保持密闭，因此对于红外测温仪等设备，由于无法穿透开关柜外壳进行温度探测，因此也难以施展作用。

针对上述情况，以及开关柜中高压、高温、封闭、电磁密度大等特点，唯一对其进行温度监控的方式就是在外壳上安装红外窗口，借以实现红外测温。这种红外窗口是通过密封胶圈等手段，将一个透红外光学晶体固定在开关柜上，同时保持开关柜的密封状态。该透红外光学晶体能够确保一定波长的光通过，且通常能够满足目前在电力系统中已经广泛使用的红外热成像仪以及测温仪的光波要求，此外还具备电绝缘、耐腐蚀等特征，即确保开关柜整体电气特性不受影响。

就目前的应用状况而言，红外窗口广泛应用于各种高压开关柜、金属铠装柜、城市环网柜及GIS高压设备的内部温度监测，在变压器接线盒、开闭所以及电缆分接箱等密闭设备方面也有应用，有效降低了电弧事故发生风险。

2 红外窗口材质特征

红外窗口最核心的部分莫过于红外透过晶体材料，通常重点考察其透过率、折射率、色散以及发射率几个参数，其中前三个参数直接关系着红外窗口的性能，最后一个参数在民用系统中较为少见，主要用作隐形军事设备的考察对象。

早期使用的红外透过材料通常都是天然晶体，诸如岩盐、水晶等，随着技术的发展，目前已经产生了多种人工合成材料，常见的红外透过材料可以分为如下几类。

1）透红外晶体材料：主要包括离子晶体和半导体晶体，其中常见的离子晶体包括碱卤化合物晶体、碱土卤族化合物晶体以及某些氧化物晶体和无机盐晶体，而半导体晶体则包括IV族单元素晶体、III-V族化合物晶体以及II-XI族化合物晶体几类。晶体材料的参数范围相对较为灵活，可以满足多种需求，适用性良好。

2）玻璃材料：可以进一步分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两类，此种透过材料价格低廉且易于制作，但是其透过波段就会有所限制。其中氧化物玻璃透波段通常在3 μm-6 μm，硫属化合物投射范围较宽，可以从可见光或近红外一直到数十μm，同时以氟化物为基础的重金属化合物玻璃能够实现从紫外到红外，以及中红外区域良好的透射度。

3）热压多晶材料：此类材料的透射波长通常在30 μm以下的范围内，并且其多用于火箭以及导弹技术，在日常生产生活中相对较少使用，重点针对其更高的机械强度要求，以及高温以及热冲击耐受等要求研发。

4）红外陶瓷以及塑料：陶瓷的透射波段通常在0.2 μm-12 μm之间，其特点在于这种材质具有范性流变效应作用以及固相扩散效应作用，从而可以即最大可能降低自由能，形成稳定的陶瓷体。而红外塑料的特点则在于价格低廉，耐腐蚀性能好，但其大分子结构会导致较多的晶格振动吸收到和旋转吸收带，降低红外透过率，此外对于高温环境耐受力不够。

5）金刚石以及类金刚石膜：金刚石材料在透过率和硬度、弹性模量、热导率、电导率等参数方面都表现不俗，同时还具有良好的抗腐蚀性，但是由于其资源昂贵，因此使用受到限制。而人造金刚石膜则几乎能够达到和金刚石同等的表现，此外，20世纪70年代还研发出一种与金刚石膜类似的类金刚石膜，同样有着良好的参数表现。

3 封闭式开关柜的检测应用

在安装有红外窗口的封闭式开关柜的相关问题上，想要对开关柜进行相对可靠的监测，还有必要深入了解开关柜中的电磁状况。

通常可以采用的方法，是利用有限元以及ANSYS对开关柜母线室的电磁场进行仿真，建立起相对完整的电磁模型，借以更为直观地形成对于开关柜中具体状况的认识，并完成相应监测。利用ANSYS系统进行分析需要经过建模、网格划分、确定边界条件并求解等几个步骤，在此仅对关键问题进行讨论。

在建模过程中，应当注意对母线室进行必要的简化，通常可以仅考虑三相母线传到电流产生的电磁场，并且简单将母线上的电流视为稳定的50 Hz，相差120°且下端良好接地的状态。对于导体而言，设想其为理想的实心铜导体，外壳绝缘良好。对于开关柜内状况，假定其中空气均匀，材料各向同性即可。

在此基础上可以构建出母线室的简化模型，进而需要设定边界条件。可以将边界条件设定为：对于耦合约束，可以对母线导体下端面的电压进行耦合并设为0；对于电流约束，可以设定电流峰值为600 A，相位差120°；对于磁力线边界约束，可以设定为空气的外壳磁力线平行。

自此，可以建立起完善的电磁模型，并对母线损失的能量速率、以及能量在开关柜中的传递状态进行模拟和计算，实现对开关柜内状况相对直观的了解。并可以根据该模型实现对红外窗口最有位置的选择，同时对于未来温度监测活动也有着十分重要的指导意义。

参考文献

[1]周岩，高扬，杨宁.高压开关柜触头温度在线监测技术综述[J].仪器仪表学报，2007，8（S2）.

[2]胡之光.电机电磁场分析与计算（修订本）[M].北京：机械工业出版社，1986.