陈茂忠 李志雄 朱 宝 李 晓

（1. 广东电网公司惠州供电局，广东 惠州 516001；2. 武汉烽火富华电气有限责任公司，武汉 430074）

开关柜内电磁场分布的驻波特性研究及其应用

陈茂忠1李志雄2朱 宝2李 晓2

（1. 广东电网公司惠州供电局，广东 惠州 516001；2. 武汉烽火富华电气有限责任公司，武汉 430074）

基于声表面波温度传感器的无源无线温度在线监测系统在开关柜内的应用，可实现触点过热故障隐患的早期预警，保障高压开关设备的长期可靠运行。而传感器的无源、无线的特性，要求发射天线与传感器天线之间存在良好的电磁场分布以保证可靠的温度信号采集。本文深入分析了开关柜内电磁场分布的驻波特性，并对影响驻波特性的因素做了仿真和实验验证分析，最后提出了它对基于声表面波温度传感器的无源无线温度在线监测系统工程应用的启示。

SAW；高压开关柜；驻波特性；HFSS仿真

高压开关柜作为发电厂、变电站中的重要基础设备，担负着关合电力线路、保护系统安全的双重功能。在其长期运行过程中，导电触点的接触特性直接影响开关柜工作的可靠性[1]。高压开关柜由于环境振动、触头烧蚀等原因，引起触点温度升高、氧化，可能导致触头局部熔焊、产生火花甚至放电，引发停电、火灾事故[2]。因此，电力企业迫切需要一种用于高压开关柜触点温度原位置、实时、在线监测的低成本仪器，实现触点过热故障隐患的早期预警，确保高压开关电器的长期可靠运行。

高压开关柜触点温度的测量，目前主要采用红外辐射传感器、石英晶体、光纤 Bragg光栅传感器[3-4]和SAW温度传感器[5-6]；温度信号的传输，主要采用电缆或光纤。

本研究使用基于 SAW 温度传感器的无源无线温度实时在线监测管理系统，主要有SAW温度传感器，采集终端，后台软件组成。为了获得全封闭的高压开关柜在不同状态下的电磁场分布信息，掌握监测仪器信号采集、传输的工作环境[7]本文以无源无线温度传感系统为基础，分析验证了开关柜内的不同状态下电磁场的分布特性。

1 理论分析

下面是谐振腔内电场振荡分布的推导[8]：

如图1所示，取金属壁的内表面分别为x=0和L1，y=0和 L2，z=0和 L3面。腔内电磁波的电场和磁场任一直角分量都满足亥姆霍兹方程。设u(x, y, z)为E或H的任一直角分量，有

图 1

当满足关系式（7）和式（8）时，式（6）代表腔内的一种谐振波模[10]，或称为腔内电磁场的一种本征振荡。对每一组（m，n，p）值，有两个独立偏振波模。谐振频率由式（4）和式（7），若m，n，p中有两个为零，则场强 E=0。若 L1≥L2≥L3则最低频率的谐振波模为（1，1，0），其谐振频率为

此波长与谐振腔的线度同一数量级。在微波技术中通常用谐振腔的最低波模来产生特定频率的电磁振荡。在更高频率情况下也用到谐振腔的一些较高波模。

由理论推导可知，对于密闭的金属腔体内的电磁场分布呈现驻波特性，即在腔体内，不同位置的电磁场的幅值呈现交替变化，周期性的特点，而且这些特点仅由密闭腔体的长宽高尺寸 L1、L2、L3决定；特别指出的是电磁分布的周期性的最大波长由腔体L1、L2、L3中的两个稍大值决定。

2 仿真模型的建立与边界条件

2.1 仿真模型的建立

ABC三相铜制相线上端与电流互感器相连，下端与接地开关相连。测得公司KYN28型开关柜内部的外形尺寸（包括断路器室以下部分）宽度为800mm、深度为800mm、长度为1200mm。依据尺寸建立仿真模型，并均匀设置了三相母排，母排宽度为100mm、厚度为5mm，如图2所示。

图2 开关柜内电磁场仿真模型

为了简化高压开关柜的三维电磁场数值仿真计算，根据实际情况作以下假设：

1）只考虑三相相线传导电流产生的电磁场。

2）三相线上端接50Hz交流电压，两相间相位差2π/3，三相相线下端接地。

3）柜体电磁绝缘。

4）柜内的空气均匀、封闭。

5）材料各向同性。

电磁场仿真简化模型如图2所示。三维电磁场仿真计算需要确定相线与空气的边界条件、空气壁的边界条件。空气壁是指与柜体接触的空气界面。

2.2 相线与空气的边界条件

媒质l代表空气，媒质 2代表相线。在两媒质的界面上，边界条件的数学表达式如下[9]。

式（11）至式（14）表述了场的连续性边界条件。式中的 n是垂直于界面的单位矢量，由媒质 2（相线）指向媒质1（空气）。

2.3 空气壁的边界条件

由于假设柜体是电磁绝缘的，则空气壁也是电磁绝缘的。

3 开关柜内电场矢量分布

3.1 仿真结果

用 HFSS仿真系统按照以上的条件得到的仿真结果如下。

图3 开关柜内电场矢量分布

由仿真结果可以看出：

1）电磁场在母排上呈现周期性分布（驻波形态），电场幅度小的区域，对应的磁场幅度大。

2）母排上，母排中心区域的电磁场幅度小，母排的边沿，电磁场幅度大。

3）开关柜柜体表现出良好的屏蔽特性，电磁场幅度分布都极小。

3.2 实验验证

本研究使用的是一款 TempTrackMFC测试软件，它是无源无线在线温度测试系统的一部分，主要负责将传感器采集的温度信息进行数字化分析处理，实线监控和查询。它的界面如图4所示。

图4 TempTrackMFC测试软件的界面

TempTrackMFC测试软件的界面上可以读出当前的温度值（T）和信号强度值（RX），开关柜内、发射天线位置不变，探头位置在母排上上下移动，验证母排上电场强度呈周期性的大小变化，使用的是1号和5号探头。

图5 1号和5号探头分别在母排的上下位置与信号强度的关系曲线

探头在母排的各个位置移动，就可以间接的测出母排上各个位置的电场强度和方向。由图5可以看出，1号和 5号探头随着在母排上位置的改变，它们的信号强度都呈周期性强弱变化，表明母排上各个位置的电场强度呈周期性的强弱变化，这个结论与图3的仿真结论吻合。

4 发射天线和母排在开关柜内相对位置的改变对电磁场分布影响

4.1 发射天线在开关柜内壁四周的位置改变

发射天线采用我们现有的倒F天线，设计天线的发射频率为433MHz，加载仿真。在基本结果中，我们考察了电磁场幅度及电磁场矢量方向图，数据繁多。由于天线的增益G正比于E的平方，而且天线的极化方向与电场的方向一致[10]，为此在以下的仿真结果中，仅考虑电场矢量图。

图6 发射天线位于开关柜左侧发射天线四个方向旋转母排区域电场矢量分布图

图7 发射天线位于开关柜右侧发射天线四个方向旋转母排区域电场矢量分布图

图8 发射天线位于开关柜底部发射天线四个方向旋转母排区域电场矢量分布图

仿真的基本结论1：

1）电场矢量在母排区域呈周期性分布（驻波形式），而且这种驻波形式与天线的放置方式无关，即天线任意放置，在母排区域，电场强区始终强度相对强，弱区始终强度相对弱。

2）发射天线放置方式改变会明显改变母排区域电场的方向（天线的接收极性）。

3）发射天线放置方式改变会明显改变母排区域电场分布的整体强度。

4.2 发射天线放置具体位置改变

图9 发射天线位于开关柜左侧放置具体位置改变时母排区域电场矢量分布图

仿真的基本结论2：

发射天线放置位置改变会明显改变母排区域电场分布的整体强度（但是不会改变电场强度的周期性特性）。

4.3 母排尺寸及在开关柜内相对位置对电磁场分布的影响

图10 母排尺寸及在开关柜内相对位置改变，母排区域电场矢量分布图

仿真的基本结论3：

母排尺寸及母排位置的变更不会改变电场矢量在开关柜内的强弱周期分布。具体来讲，母排的尺寸及相对位置的改变会改变母排上的电场的整体强度的分布，不会改变开关柜内不同位置的电场强度分布的周期性，即不会改变开关柜内电磁场分布的驻波特性。

4.4 实验验证

由于在本文 3.2中实验验证了 TempTrackMFC测试软件与仿真结果的一致性，所以这里我们可以借用测试软件做进一步的实验验证。即：在开关柜内、测温探头位置不变，发射天线在柜壁上下左右移动，验证母排上，电场强度呈周期性的大小变化。我们在开关柜内对发射天线左右和上下布置，分别把1号和5号探头固定在母排上，使用TempTrack MFC测试软件得到了以下的数据，我们绘制成图形如图11所示。

图11 开关柜内天线在柜壁左右和上下移动时，1号和5号探头测得的信号强度曲线

实验表明：

1）发射天线在柜壁上下移动，系统信号强度在中间位置明显呈现峰值的特点。

2）发射天线在柜壁上左右移动，在柜壁的两个侧端面，明显出现信号强度下降的现象。

上述的实验现象与上面的仿真结论是相吻合的。

5 开关柜的本身尺寸对电磁场分布的影响

由以上分析的种种结论可知，发射天线及母排的放置位置不会影响开关柜内电磁场分布的驻波特性，可以推知开关柜的本身尺寸决定了开关柜内的电磁场分布的驻波特点，与我们前面的理论分析相吻合。通过与前面相同的仿真条件，我们改变天线放置方向和母排安放方式，做了以下仿真实验。

图12 开关柜内尺寸改变对电磁场分布的影响

由图12可以看出，改变开关柜的尺寸可以改变电场矢量分布周期性分布的强弱位置，即改变驻波的分布特点。比较仿真结果和前面的理论分析，说明两者吻合很好。

6 结论

本文深入分析了开关柜内电磁场分布的驻波特性，得出开关柜本身尺寸是影响内部电磁场驻波特性分布的惟一因素的结论。本文首先从可能影响其驻波特性的其他两个因素（开关柜内天线的放置位置和母排的位置）方面建模仿真和软件验证了它们不能改变开关柜内电磁场分布的驻波特性，然后理论验证了影响其驻波特性的惟一因素：开关柜的尺寸大小。得到了以下结论：

1）电磁场强度在母排上上下不同位置呈现周期性强弱分布，即驻波特性分布。

2）发射天线位置和母排尺寸及母排在柜体的位置的改变会显著影响柜体内整体的电磁场幅值，如结论3所示，不会改变柜体内的电磁场分布的强弱的具体位置。

3）电磁场在母排上的驻波特性只由柜体的长、宽高尺寸相关，而与发射天线位置及母排的尺寸和母排在柜体的相对位置无关。

这些结论对工程安装应用的启示：

1）首先确定了发射天线的安装位置：发射天线位置正对母排驻波的波峰或者波谷的位置时，柜体内的整体信号强度相对最好。

2）开关柜柜体尺寸及测温探头在柜体的具体位置基本决定探头的能接受信号能力，在发射天线位置固定后，如果可能，可以移动探头位置，改善信号强度。

3）探头安装在母排侧边上更好。

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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

陈茂忠（1974-），男，广东潮阳人，广东电网公司惠州供电局电力调度控制中心通信检修主管，工程师。主要从事电力通信工作。