發熱缺陷下G IS內部溫度分布數值分析

楊明昆，馬宏明，何順，彭兆裕，邱鵬鋒，程志萬

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217）

0前言

由于GIS設備具有占地面積小、運行可靠、設備檢修維護周期長等優點，近年來在電力系統各電壓等級中得到大力應用和推廣。隨著GIS設備數量的不斷增多以及運行年限的日益增長，各類缺陷逐漸增多，主要表現為發熱型缺陷、放電型缺陷和機械型缺陷。其中發熱型缺陷是GIS設備的主要缺陷，具體原因主要包括導電回路接觸不良、絕緣整體受潮和老化等[1]。

目前對于GIS設備的帶電檢測手段主要有局放檢測和紅外測溫兩種手段。其中因紅外測溫技術具有不停電、不接觸、不解體、不取樣等一系列優點，已廣泛應用在電力系統中；其次紅外測溫技術不斷成熟，紅外測溫儀的測量精確度及圖像分辨率逐漸能達到精確測溫的要求，因此通過紅外測溫技術已經成為分析診斷GIS設備熱缺陷的一種重要手段[2-3]。

1研究現狀

GIS設備的發熱缺陷主要分為內部熱缺陷和外部熱缺陷兩類。外部熱缺陷發熱特征相對比較明顯，比較容易被直觀的檢測到。而對于內部發熱缺陷，因GIS設備的封閉性和傳熱的復雜性，通過測量GIS外殼的溫度來評估GIS導體的溫度具有較大難度。實際運行GIS 設備所處環境復雜，其溫度分布受到內部因素和外部因素的共同影響。內部因素主要包括導體主回路產生的焦耳熱，金屬外殼中感應的渦流損耗以及導體、外殼材料和SF6氣體傳熱能力。外部因素主要包括光照、風速、環境溫度等氣候條件。因此GIS的發熱是多種因素共同影響下的復雜問題[4]。

為探究GIS外殼溫度分布同GIS內部導體熱狀態的關系，華北電力大學、武漢大學、南方電網科學研究院等研究機構的研究者從GIS內部的溫度經輻射、傳導、對流后的分布出發進行了試驗和仿真研究[5-8]。

本文通過使用數值分析的方法，主要針對GIS母線存在內部導體發熱故障時的情況進行溫度場仿真分析。分別選取水平放置的220 kV單相母線和220 kV 三相共箱母線導體作為模型，對導體存在發熱缺陷的工況進行二維溫度場分析，得到了不同工況下GIS殼體溫度的一些分布規律。

2 GIS內部溫度場數值分析

2.1仿真模型的建立

1）模型的建立及假設

為探究GIS殼體的溫度分布，本文對GIS母線段進行二維建模。選取GIS及其殼體外的空氣域作為計算域，計算域如圖1所示。

圖1 ANSYS二維母線模型

對其傳熱模型進行如下假設：

a.GIS外表面與空氣自然對流傳熱；

b.環形空腔內的SF6氣體因受到內外壁面溫差及重力場相互作用而引起封閉腔內的對流傳熱，本文中不考慮輻射傳熱的作用；

c.流體性質滿足Boussinesq 假設，且GIS內氣體視為SF6氣體的單一組分。

d.導體內溫度均勻分布。

e.選取包含GIS的一定空間空氣域作為計算域，將空氣域邊界溫度場設為恒定來模擬無風、無光照的環境溫度。

2）仿真計算過程中應用的計算方程

SF6氣體及空氣等適用的流體控制方程如下[9-13]：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

固體傳熱控制方程：

式中ρ表示相應氣體或固體材料的密度；Cp表示相應氣體或固體材料的比熱容；K 表示相應氣體或固體材料的導熱系數；u表示速度矢量；p表示氣體壓強；i表示氣體動力粘度；g表示重力加速度；Δρ表示氣體熱膨脹引起的密度差；I表示單位矩陣；Qh表示導體中損耗的體積熱源。

3）求解計算時需要適用的邊界條件

傳熱的邊界條件可分為三類，本文中使用的是第一類邊界條件，即恒定溫度的邊界條件。

第一類邊界條件（定溫度邊界條件）

導熱微分方程和相應的邊界條件即可構成求解超導帶材試品在進行測試時的熱場方程。

2.2物性參數的設置

部分物性參數的設置如表1所示：

表1物性參數設置表

導體的熱導率取209W/(m.K)。

2.3網格的劃分

本文使用ANSYS中的Fluent 流場求解器對GIS的溫度分布進行有限元分析計算。在ANSYS中構建所需求解的二維幾何模型后，將幾何模型導入劃分網格模塊進行合理的網格劃分。網格圖像如圖2所示。

圖2 ANSYS網格劃分圖

如圖3 所示，為保證界面處的計算中正確性，界面處的網格需相互對齊。

圖3界面處網格劃分圖

使用Fluent 求解器時，模型設置采用二維穩態模型，并設置Y方向的重力加速度來模擬重力對流場的作用。

2.4仿真數據分析

2.4.1單相母線模型的溫度分布

表2 220 kV單相GIS母線模型數值計算尺寸參數

當設置環境溫度為27℃（300 K），導體溫度為53℃（326 K）時，GIS溫度分布及GIS的氣流流動情況如圖4和圖5所示。

圖4求解域溫度分布圖

圖5 GIS內SF6速度分布圖

外殼溫度分布如圖6所示。其最高溫為306 K（33℃），溫差為2 K。外殼溫度呈現上部溫度高于下部溫度的分布趨勢。

圖6外殼溫度分布

保持環境溫度為（27℃）不變，隨著導體溫度上升，外殼溫度的變化如表3所示。

如圖7所示，在環境溫度一定的情況下，且外界無風也無光照的情況下，外殼的最高溫度和外殼的溫差隨著導體溫度的上升而上升，且變化規律近似呈線性增長。且在此假設模型的計算下，外殼溫差為2 K 時，GIS 母線導體的溫度為60度。從仿真的角度符合了南網提出的GIS溫差超過2 K 時應關注該GIS的狀態的要求。

圖7外殼溫度隨導體溫度變化圖像

表3外殼溫度隨導體溫度變化表

2.4.2三相導體溫度相同條件下的溫度分布

表4 220 kV三相共箱GIS母線模型數值計算尺寸參數

當設置環境溫度為27℃（300 K），導體溫度為50℃（323 K）時，GIS溫度分布及GIS的氣流流動情況如圖8和圖9所示。

圖8求解域溫度分布

圖9 GIS內SF6速度分布圖

外殼溫度分布如圖10所示。其最高溫為316.9 K（43.9℃），溫差為3 K。外殼溫度也呈現上部溫度高于下部溫度的分布趨勢，且呈現左右對稱分布的特征。

圖10外殼溫度分布

保持環境溫度為（27℃）不變，隨著導體溫度上升，外殼溫度的變化如表5所示。

由圖11可知，在環境溫度一定的情況下，且外界無風也無光照的情況下，外殼的最高溫度和外殼的溫差隨著導體溫度的上升而上升，其變化規律近似呈線性增長。在此假設模型的計算下，三相導體均為50℃時，GIS母線導體的外殼的溫差為3 度。相比較單相GIS 母線而言，在導體溫度相同的情況下，GIS外殼的溫升和溫差均較大。

表5三相共箱GIS三相導體溫度同時變化時外殼溫度變化情況表

圖11三相GIS導體溫度同時變化時外殼溫度變化情況圖

2.4.3三相共箱母線模型三相導體溫度不均衡條件下溫度分布

當三相共箱母線模型三相導體的溫度分布不均衡時，探究其溫度分布如下。

當A 相導體發生故障導致導體溫度上升的情景下，設置A 相導體溫度為100℃，B、C相導體為50℃。環境溫度設為27℃（300 K）。GIS溫度分布、GIS的氣流流動情況及GIS外殼溫度分布如圖12、圖13和圖14所示。

圖12計算域內溫度分布圖

圖13 GIS內SF6流速分布

從溫度分布看，A 相故障導致A 相導體溫升時，GIS內部的溫度分布基本對稱。從外殼溫度分布看，外殼的最高溫向導體A 側有一定的偏移，但基本保持左右對稱。外殼的最高溫度，相比于三相都為50℃時的正常運行工況，其外殼最高溫度63.3℃升高了19.4℃，外殼溫差12.4℃相比正常工況提升了9.4℃。

圖14外殼溫度分布

B相導體發生發熱故障的情況同A 相故障時情況類似，是A 相發生故障時的對稱情況。

當C相導體發生故障導致導體溫度上升的情景下，設置C相導體溫度為100℃，A、B相導體為50℃。環境溫度設為27℃（300 K）。GIS溫度分布、GIS的氣流流動情況及GIS外殼溫度分布如圖15、圖16和圖17所示。

圖15計算域溫度分布

圖16 GIS內SF6流速分布

從溫度分布看，C相故障導致C 相導體溫升時，GIS內部及外殼的溫度分布基本對稱。外殼的最高溫度，相比于三相都為50℃時的正常運行工況，其外殼最高溫度59℃升高了15.1℃，外殼溫差5.1℃相比正常工況提升了2.1℃，但相比于A、B相故障的情況外殼溫差降低了7℃左右。

圖17外殼溫度分布

從以上結果可以得出這樣的結論，通過GIS外殼反映GIS導體內部運行狀況時，不僅要關注GIS外殼的溫差，還要關注GIS外殼相對于環境溫度的溫升。

2.4.4環境溫度對GIS外殼溫度分布的影響

外界環境溫度的變化對于GIS外殼的溫度分布也會造成影響。固定單相GIS導體的溫度為53℃，改變環境溫度的設置，得到如表6所示數據。

表6單相GIS導體外殼溫度分布隨環境溫度變化情況表

圖18單相GIS導體外殼溫度分布隨環境溫度變化情況曲線

由圖18可知，GIS導體溫度一定時，隨著環境溫度增加，GIS外殼的最高溫度呈線性增加，外殼的溫差呈線性遞減的趨勢。此模型下，環境溫度每上升10℃，外殼最高溫增加約7℃，外殼溫差減小約0.5℃。故在對GIS外殼的溫升和外殼溫差進行歷史數據比較時，環境溫度也是不可忽略的重要因素[14-15]。

3結束語

1）GIS外殼溫度受到內部因素和外部因素的影響。本文主要考慮內部SF6氣體和外部空氣對流換熱的綜合影響下，GIS外殼的溫度分布規律。對于母線導體水平放置的GIS氣室，對于單相母線和三相共箱母線其外殼溫度分布主要呈現上部殼體溫度高于下部殼體溫度的特點。且在無風和無光照等理想條件下，GIS殼體溫度分布基本呈對稱分布。

2）在環境溫度一定，且外界無風也無光照的情況下，外殼的最高溫度和外殼的溫差隨著導體溫度的上升而上升。

3）水平放置的三相共箱式GIS，當導體故障發熱導致三相導體溫度不平衡時，GIS外殼的溫度分布基本對稱。最高溫度依然出現在GIS外殼頂端。僅有一相導體發熱且發熱溫度一定的情況下，GIS內位于上部的導體發熱導致的GIS外殼溫升更高。

4）GIS導體溫度一定時，隨著環境溫度增加，GIS外殼的最高溫度呈線性增加，外殼的溫差呈線性遞減的趨勢。在對GIS外殼的溫升和外殼溫差進行歷史數據比較時，環境溫度等外部因素也是不可忽略的重要因素。