基于有限元分析的單相GIS隔離開關溫度場仿真研究

趙雪辰，陳 強

（1.中國電力工程有限公司，北京 100048；2.華北電力大學，北京 102206）

0 引 言

近年來隨著電力工業的高速發展，氣體絕緣組合電器（GIS）以運行可靠、結構緊湊、安裝維護方便等優點，在我國電力系統中得到了廣泛應用［1，2］。但同時，其嚴格密封、內部空間狹小、負荷電流大等特點，導致GIS導體損耗發熱問題日益突出，尤其當GIS出現觸頭接觸故障時，隨著接觸電阻增大，負載電流的流過將產生觸頭過熱現象［3，4］。觸頭局部過熱常會引起絕緣材料老化，設備絕緣水平降低，嚴重威脅GIS設備安全穩定運行［5－7］。因此，為保障電力設備運行安全，有必要對GIS內導體觸頭發熱狀態、溫度分布規律、熱量散失機理等多方面因素進行準確深入的計算分析。

本文以單相126 kV GIS隔離開關為例，運用有限元分析將溫度場計算與流體場計算相結合，建立GIS損耗發熱的有限元計算模型。在探討對流與輻射散熱、屏蔽罩、SF6氣體濃度、環境溫度以及重力等因素對損耗發熱計算結果影響的基礎上，計算分析了GIS內溫度的分布規律。

1 單相GIS隔離開關溫度場計算模型

本文以單相GIS隔離開關為研究對象，在進行穩態溫度場分析之前，首先作以下假設：

（1）GIS熱量傳遞處于穩態過程。

（2）觸頭與導體接觸良好，忽略觸頭結構及屏蔽罩倒角對GIS溫度場分布的影響，導體溫度分布均勻。

（3）GIS設備外殼、導體和屏蔽罩材料的屬性參數為常數，SF6采用不可壓縮流體模型，不考慮氣體的輻射換熱。

（4）忽略了風速以及太陽輻射對于溫升的影響。

本文以實際126 kV GIS為尺寸原型，所創建的簡化幾何模型基本結構如圖1所示。

圖1 單相GIS隔離開關結構圖

2 單相GIS隔離開關溫度場計算結果分析

2.1 單相GIS隔離開關溫度場分布規律

基于以上計算模型，設置導體溫度為固定值98℃，外部環境溫度為固定值27℃，內部SF6氣體工作壓力為0.4 MPa；GIS內部由于經過拋光處理，輻射系數為0.05，GIS外部輻射系數設為0.85。GIS內隔離開關溫度分布情況如圖2（a）、（b）所示。由圖2（a）可知，當隔離開關水平放置時，同一截面上溫度分布呈現明顯的分層現象，總體趨勢為中軸兩側左右基本對稱，上部溫度高于下部。出現這種現象的主要原因在于：內部SF6氣體受導體的加熱作用，使得距離導體較近的氣體高于靠近外殼的氣體溫度，同時在重力的作用下產生氣體熱浮力，靠近導體部分的氣體向上流動，在流動路徑上收到外殼頂部的阻擋，氣體被迫分為左右兩股。同時，由于隔離開關本身是幾何對稱結構，因而氣體運動左右對稱，從而導致溫度分布左右基本對稱。

GIS外殼溫度分布情況如圖2（b）所示，可以看出，雖然GIS外殼的熱導率較高，但是外殼溫度分布并不均勻，溫度分布梯度較為明顯，總體呈現上高下低，溫度差在1℃左右，外殼溫度最高點出現在裸露導體的正上方。造成上述溫度分布形式的主要原因在于，導體上方氣體流速較高，熱量主要以輻射與對流的方式進行傳遞，導體下方氣體幾乎處于靜止狀態，熱量主要以輻射與熱傳導的方式傳遞，而SF6氣體的對流換熱能力明顯優于其熱傳導能力。此外，由外殼溫度最高點出現在裸露導體正上方可以看出，屏蔽罩的存在一定程度上阻礙了導體熱量的散失。

圖2 單相GIS隔離開關溫度分布云圖

2.2 GIS導體與外殼溫度關系

圖3給出了環境溫度一定，導體溫度連續變化時外殼溫度變化過程。曲線中外殼溫度數值為外殼溫度最高點溫度值。計算中設置外部環境溫度為固定值27℃；內部SF6氣體工作壓力為0.3 MPa；GIS內部輻射系數為0.05，GIS外部輻射系數設為0.85。由圖3可以看出當環境溫度一定時，外殼溫度隨著導體溫度升高而升高，溫度上升趨勢近似線性關系，導體平均每升高10℃，外殼溫度升高近似0.5℃。

2.3 GIS內SF6工作氣壓對隔離開關溫度分布的影響

隨著GIS內部氣壓的增大，SF6氣體的密度、熱導率、粘性系數等參數也將隨之改變，因此，GIS內部氣壓的變化必然會導致GIS內部溫度分布的變化。本文計算了GIS內部氣壓為0.1 MPa～0.5 MPa時溫度的分布情況。計算中設置外部環境溫度為固定值27℃，導體溫度為固定值98℃；GIS內部輻射系數為0.05，GIS外部輻射系數設為0.85。計算間隔為0.05 MPa。

圖3 單相GIS隔離開關導體與外殼溫度曲線

通過計算發現改變GIS內部氣壓，GIS溫度場分布規律并不發生變化，溫度分布仍然呈現出左右基本對稱，上部溫度高于下部，外殼溫度最高點仍然在裸露導體正上方。然而溫度梯度分布發生了變化，尤其GIS外殼溫度變化非常明顯，其基本規律為隨著氣壓的升高，外殼溫度逐漸升高，外殼溫度與氣體壓力近似呈現線性關系。由于本次計算采用導體固定溫度值，因此隨著氣壓升高外殼與導體間溫度差減小，由此可以得出結論，隨著氣壓升高，SF6氣體的導熱性能也逐漸升高。

3 結 論

（1）由于重力作用下的熱浮力存在，GIS內部氣體對流效果明顯，只有充分考慮重力因素的影響，才可能較好地模擬實際的傳熱效果。

（2）對于水平放置的單相GIS設備，氣體對流作用使同一圓周截面上溫度分布并不均勻，其內部空間溫度分布為上半部分溫度高于下部、左右基本對稱。

（3）GIS隔離開關外殼溫度梯度分布明顯，溫度最高點出現在裸露導體正上方，屏蔽罩的存在改變了內部溫度分布，一定程度上阻礙了導體熱量散失。

（4）環境溫度一定時，外殼溫度隨著導體溫度升高而升高，溫度上升趨勢近似線性關系，導體平均每升高10℃，外殼溫度升高近似0.5℃。此外GIS內部氣壓對GIS內部熱量傳遞影響顯著。

［1］ 師曉巖，查 瑋，孫 福，等.UHV GIS內部溫度場的紅外熱診斷技術［J］.高電壓技術，2007，33（6）：16－20.

［2］ 吳曉文，舒乃秋，李洪濤，等.基于光纖光柵的氣體絕緣開關母線溫度在線監測系統［J］.電力自動化設備，2013，33（4）：155－160.

［3］ 魏 翔.氣體絕緣金屬封閉開關柜在線測溫系統設計［J］.電工電氣，2010（1）：51－54.

［4］ 張良勝，張 杰.紅外在線監測系統在封閉開關柜中的應用［J］.電網技術，2008，32（1）：150－153.

［5］ 武勝斌，鄭 研，陳志彬.基于紅外測溫技術的GIS導體溫度在線監測的方案［J］.高壓電器，2009，45（4）：100－102.

［6］ 李中祥，宋建成.高壓隔離開關觸頭溫度在線監測系統的研制［J］.高壓電器，2009，45（2）：11－17.

［7］ 陳 衡，侯善敬.電力設備故障紅外診斷［M］.北京：中國電力出版社，1999.