基于有限元法的500kV GIL溫度場(chǎng)建模及研究

陳靜 王典浪 皮天滿

摘要：為模擬氣體絕緣線路（Gas Insulated Transmission Line， GIL）溫度場(chǎng)分布，首先建立了GIL幾何模型，之后推導(dǎo)了GIL溫度場(chǎng)控制方程。最后，通過改變電流研究了不同工況下的GIL溫度分布。仿真結(jié)果表明，額定工況下GIL各相之間的相互作用關(guān)系微弱，其徑向溫度自上而下逐漸衰減，GIL溫度與負(fù)荷電流呈正比關(guān)系。

Abstract： To simulate the temperature field distribution of the Gas Insulated Transmission Line （GIL）， the GIL geometric model is firstly established， and then the GIL temperature field control equation is derived. Finally， the GIL temperature distribution under different working conditions is studied by changing the current. The simulation results show that the interaction relationship between the phases of the GIL is weak under rated conditions， and the radial temperature gradually decreases from top to bottom， and the GIL temperature is proportional to the load current.

關(guān)鍵詞：GIL;有限元法;溫度場(chǎng);COMSOL

Key words： GIL;finite element method;temperature field;COMSOL

中圖分類號(hào)：TM75?????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）28-0238-02

0? 引言

氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Transmission Line，GIL）因其在電能輸送方面的顯著優(yōu)勢(shì)，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。中國礦業(yè)大學(xué)[2]，西安交通大學(xué)[3]以及西南交通大學(xué)[4]的研究團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)不同電壓等級(jí)的GIL基于多場(chǎng)耦合理論進(jìn)行了建模，并開展了各自的研究工作。

通入電流后，GIL導(dǎo)體及其外殼熱損耗將改變其溫度分布情況，建立適用溫度場(chǎng)模型對(duì)模擬GIL溫度分布及運(yùn)行狀態(tài)意義重大。目前學(xué)界針對(duì)GIL的過熱故障機(jī)理尚未完全掌握，亟需引入多場(chǎng)耦合方法針對(duì)GIL溫度場(chǎng)進(jìn)行求解研究，以豐富GIL理論分析及數(shù)值模擬手段。

本文基于COMSOL軟件建立了500kV GIL溫度場(chǎng)模型，在額定工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。并通過改變負(fù)荷電流，針對(duì)4種典型工況下的GIL溫度展開了研究。

1? GIL溫度場(chǎng)建模

1.1 GIL結(jié)構(gòu)概述

500kV GIL管母總長度最長單根最長為12m，最大質(zhì)量約1t，主要包含外部空氣、導(dǎo)體、外殼以及SF6絕緣氣體。GIL外殼與導(dǎo)體構(gòu)成同軸結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)部填充SF6作為絕緣氣體，通過外殼與外部空氣隔絕，其徑向幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 GIL仿真參數(shù)設(shè)置

文章使用文獻(xiàn)[3]中的GIL參數(shù)作為研究對(duì)象，仿真分析具體數(shù)值設(shè)置如表1所示。

COMSOL軟件集成了大量材料參數(shù)供用戶直接調(diào)用。補(bǔ)充相對(duì)磁導(dǎo)率等參數(shù)后，即可滿足后續(xù)的計(jì)算需求。計(jì)算過程中補(bǔ)充的材料參數(shù)如表1所示。

1.3 溫度場(chǎng)控制方程

氣體密度、動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)溫度的關(guān)在溫度改變后將發(fā)生變化，其變化過程描述詳見文獻(xiàn)[2]。在此基礎(chǔ)上，GIL熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射方式下的熱量交換可分別使用公式（1）-（3）進(jìn)行描述：

（1）

（2）

（3）

式中ρT、λT及ηT分別表示T溫度下的材料密度、導(dǎo)熱系數(shù)及動(dòng)力黏度，Cp、Qf分別為材料的比熱容及表面發(fā)射系數(shù)，Q表示材料熱損耗，v表示氣體流速，δ、E分別為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)以及廣義源項(xiàng)，Sf為輻射接觸面積，Tc、Tt分別表示導(dǎo)體及殼體溫度。

2? 仿真分析

2.1 額定工況下GIL有限元模型

2.1.1 磁場(chǎng)分布

額定工況下的GIL磁通量密度如圖2所示。可見，GIL外部空氣域中的磁通密度已發(fā)生大幅衰減，由磁場(chǎng)誘發(fā)的各相GIL之間相互作用十分微小，可以忽略不計(jì)。

2.1.2 氣體流速與溫度分布

圖3、圖4分別為額定工況下GIL的徑向氣體流速與溫度分布。

如圖所示，負(fù)載電流的加入引起SF6溫度分布改變，高溫氣體趨于向上流動(dòng)。當(dāng)氣體與外殼發(fā)生熱量交換后，其溫度逐漸降低并緊貼外殼向下流動(dòng)。

氣體流過導(dǎo)體后溫度快速上升，導(dǎo)體上方空間的氣體溫度明顯高于下方空間，溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分布情況相吻合。此外，換熱過程中發(fā)生的熱量損耗使得氣體溫度逐步下降，最終導(dǎo)致殼體溫度由上到下逐步衰減。

2.2 不同負(fù)荷電流下的GIL溫度分布

為模擬不同工況下的GIL溫度分布情況，本文選取了四種不同負(fù)荷電流分別進(jìn)行了仿真分析，對(duì)應(yīng)的GIL溫度數(shù)值如表2。

可見，GIL溫度隨溫度升高逐漸增大，呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。造成這一結(jié)果的原因在于隨著負(fù)荷電流的逐步增大，GIL導(dǎo)體電流密度顯著增大，其導(dǎo)體與外殼的熱損耗計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步升高，并最終改變了GIL的溫度場(chǎng)分布情況。

3? 結(jié)論

針對(duì)500kV GIL，本文基于多物理場(chǎng)相互作用關(guān)系，使用COMSOL軟件建立了GIL溫度場(chǎng)有限元模型，并針對(duì)其溫度分布展開了研究。主要結(jié)論如下：

①受外殼屏蔽作用的影響，額定工況下GIL外部空氣域的磁通密度較之于導(dǎo)體周圍空間已大幅下降，各相之間的磁場(chǎng)相互作用關(guān)系及其微弱，在正常運(yùn)行條件下可以忽略不計(jì)。

②通入電流后，GIL熱損耗導(dǎo)致導(dǎo)體及外殼溫度升高，進(jìn)而改變了其內(nèi)部絕緣氣體的溫度分布。導(dǎo)體附近的SF6氣體受熱后向上流動(dòng)，最終導(dǎo)致GIL上部空間的整體溫度分布情況明顯高于下部空間。

③增大的負(fù)荷電流加劇了GIL的熱損耗，進(jìn)而使得其各部分的溫度較之前結(jié)果顯著增大。同時(shí)，由于升溫后的絕緣氣體仍呈現(xiàn)出向上流動(dòng)的趨勢(shì)，大量高溫氣體匯集GIL上部空間，最終導(dǎo)致了GIL各部分溫度上高下低的分布結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

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[5]宋超然.高壓交流GIL多物理場(chǎng)耦合分析及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2019.

作者簡介：陳靜（1987-），男，貴州清鎮(zhèn)人，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)樽冸娨淮卧O(shè)備檢修維護(hù)及電氣試驗(yàn);王典浪（1986-），男，四川達(dá)州人，學(xué)士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽冸娨淮卧O(shè)備檢修維護(hù)及電氣試驗(yàn);皮天滿（1986-），男，貴州遵義人，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)樽冸娨淮卧O(shè)備檢修維護(hù)及電氣試驗(yàn)。