直流氣體絕緣輸電線路盆式絕緣子溫度分布特性研究

林令淇

（國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

氣體絕緣開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）由斷路器、隔離開關、互感器、避雷器、母線和連接件等組成。氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Transmission Line，GIL）由母線、絕緣子、絕緣氣體和外殼等組成。GIS和GIL 因其節省空間、易于維護、對環境不敏感等優點在電力系統中得到了廣泛的應用［1-5］。通常GIL和GIS母線設計成同軸結構，中央為鋁圓柱形導體，并由鋁合金外殼封閉，二者之間填充SF6或SF6/N2等絕緣氣體。此外，盆式、盤式、支柱式等環氧復合絕緣子固定在母線內部，作為支撐和絕緣介質［6］。

正常運行時，由于GIL 或GIS母線導體內部流過數千安培電流，導桿產生的焦耳熱［7-8］將會加熱絕緣氣體、導體、外殼和絕緣子。如果設備結構設計不合理，導致設備出現過熱，這將對設備的長期運行造成嚴重后果，如絕緣子加速老化和線路斷裂等［9-11］。隨著新能源技術的發展，我國直流輸電的系統規模不斷擴大，所以針對直流GIL 進行仿真［12］。隨著高壓直流輸電技術的發展，高壓直流GIS和高壓直流GIL越來越受關注。環氧復合材料的電導率隨溫度的變化而變化［13］，因此在研究絕緣子電場分布特性時應考慮絕緣子溫度梯度的影響。另外，研究表明絕緣子表面電荷積聚也會對其電場分布造成影響，導致局部場強畸變，并且電荷積聚將會受到絕緣子溫度的影響［14］。因此，針對高壓直流輸電系統，應分析GIS和GIL的溫度分布特性，包括氣體和絕緣子的溫度分布規律。

由于GIS/GIL 內部溫度分布難以通過實驗測量，研究人員多采用仿真模擬的方法分析其溫度分布特性。H.Koch 等人對水平布置的GIL 內部自然對流特性進行了數值分析，研究了瑞利數和半徑比對內部傳熱和氣流場特性的影響［15］。另外，研究人員采用磁熱耦合有限元分析方法研究了渦流對GIS 母線溫升的影響。B.Novák 等采用有限元仿真方法，分析了渦流對三相GIS母線溫度分布的影響［16］。Y.P.Tu等人分析了環保型絕緣氣體GIL中的溫度分布特性，并將其與SF6進行了對比［17］。但這些仿真研究均忽略了絕緣子對設備傳熱特性和溫度分布的影響，并且這些研究多采用二維中心旋轉對稱方式建立模型。而大多數GIL 間隔和GIS 母線采用水平方式布置，考慮到流體運動和浮力的影響，這種條件下溫度分布并不是旋轉對稱結構。因此，需要采用三維結構模型開展仿真研究，以獲得氣體和絕緣子的三維溫度分布特性。

以水平放置的200 kV 帶盆式絕緣子的GIL 為基礎，建立了三維溫度場仿真模型。分析了直流電流作用下GIL 內部的溫度和氣流場分布特性；研究了氣體壓力、環境溫度和負載電流對氣體和絕緣子溫度分布的影響規律；最后討論了溫度梯度對絕緣子電場分布的影響規律。

1 仿真模型

1.1 幾何結構

所采用GIL 的幾何結構如圖1 所示，參數如表1所示。由于GIL 水平放置，流體運動和傳熱特性應呈左右對稱分布，圖1 中將GIL 豎直截面定義為對稱面，并且此截面為絕熱面。因此，仿真模型可以簡化為原來幾何模型的一半。這樣既可以減少大量的網格，又不會對計算精度產生影響。研究表明，采用此種簡化方法，可以減少大約50%的內存和70%的計算時間。

圖1 GIL幾何模型

表1 GIL參數

1.2 數學模型

當電流流過鋁導體時，導桿產生的焦耳熱將按照如下方程計算：

式中：P為導體發熱功率；I為負載電流；R為直流電阻；L為導體長度；Scond為導體截面積；σAl為導體電導率。

本模型中，通過熱傳導為：

式中：ρ為密度；Cp為恒壓比熱容；q為傳導熱通量；qr為輻射熱流；κ為導熱系數；T為絕對溫度；Q為額外熱源，對于絕緣子和氣體來說，此項為0。

熱輻射是指物體在一定溫度下發出的電磁波。在本文中，熱輻射包括絕緣子表面對外殼內表面的輻射，絕緣子表面對導體表面的輻射，導體表面對外殼內表面的輻射，以及外殼外表面對周圍空氣的輻射。設所有表面均為非透明，輻射為：

式中：eb（T）為所有波長的輻射功率；n1為折射率；σSB為Stefan-Boltzmann 常數；G為入射輻射熱流；ε為表面發射率。

腔體內部除了傳導和輻射之外，第三種傳熱機制是對流。采用單相流體Navier-Stokes 方程描述GIL內部SF6氣體流動，方程定義為：

式中：u為速度矢量；p為氣體壓力；μ為氣體動力粘度；g為重力矢量。

其中，式（6）為質量守恒方程，式（7）為能量守恒方程，式（8）為動量守恒方程。

進行仿真計算前需要估計流體的狀態，采用的判斷依據為格拉曉夫數Gr，通過估算，得出結果Gr＞109，認為流體處于湍流狀態，采用湍流模型。常用的湍流模型有k-ε湍流模型和剪切應力傳輸模型（Shear Stress Transfer，SST）。對這兩種湍流模型進行了對比分析，最終采用SST湍流模型。

雖然k-ε湍流模型因其良好的魯棒性而廣泛應用于湍流流場仿真分析，但此模型在處理近壁面區域時精度較差，這將導致氣體/絕緣子界面溫度分布不連續，用此模型無法得到比較滿意的溫度場和氣流場分布結果。而SST 在低雷諾數條件下處理近壁面區域具有較好的效果，因此GIL 內部自然對流采用SST湍流模型進行計算。

2 結果與討論

2.1 絕緣子溫度分布特性

當負載電流為3 150 A，環境溫度為20 ℃，SF6壓力為0.5 MPa 時，絕緣子的表面溫度分布如圖2 所示。絕緣子兩側溫度分布基本類似。微米氧化鋁填料的高導熱性，絕緣子用的環氧復合材料的熱導率約為1 W/（m·K），因此絕緣子溫度從中心導桿到外法蘭呈近似圓環逐漸降低。由于SF6氣體被導體加熱，在浮力作用下熱氣體向上流動，GIL內上半部氣體溫度高于下半部氣體溫度。因此，絕緣子上半部溫度比下半部溫度高。

圖2 絕緣子表面溫度分布特性

對GIL 內部氣流場分布特性進行了研究，結果如圖3 所示。圖3 分別給出了GIL 截面氣流分布特性以及靠近絕緣子兩側的氣流分布特性。從圖中可以看出，氣體在兩個不同的方向循環流動。導體對周圍氣體加熱導致導體表面附近氣體向上流動，并沿對稱面向上運動至外殼頂部。然后，氣體沿著外殼內表面向下到達外殼底部，并沿對稱面向上運動至導體下表面，完成循環。通過這種方式，氣體對絕緣子實現了加熱。循環的方向如圖3 中黑色箭頭所示，為了清楚的表示方向，箭頭僅代表方向。

圖3 不同截面SF6氣體流速分布特性

同時，氣體在屏蔽罩處被加熱并向外殼頂部運動，之后流向盆式絕緣子，形成循環。另外，部分氣體向盆式絕緣子流動，然后沿絕緣子/外殼界面的邊界向下流動，如圖3 所示。由于靠近絕緣子凹面的氣體流動較弱，因此絕緣子凸面處的表面溫度較高。

2.2 氣體壓力對溫度分布的影響

為了分析SF6壓力對溫度分布特性的影響，仿真中分別把SF6壓力設置為0.4 MPa、0.5 MPa 和0.6 MPa。圖4 以0.4 MPa 和0.6 MPa 條件下盆式絕緣子表面溫度分布為例，圖中左側為絕緣子凸面溫度分布，右側為絕緣子凹面溫度分布。仿真設置負載電流為3 150 A，環境溫度為20 ℃。結果表明，在不同氣體壓力條件下，凹凸表面的溫度都呈現相似分布特性。從中心導桿到外法蘭溫度呈圓環狀逐漸下降，并且絕緣子上半部溫度較高。

圖4 不同氣體壓力條件下絕緣子溫度分布特性

另外，隨著氣體壓力的增加，盆式絕緣子的溫度逐漸降低。而氣體傳熱相關參數和氣壓有關，氣壓不同傳熱的效率不同，所以盆面的最高溫度不同。類似的，Y.Qiao 等人［18］的仿真結果表明，隨著氣體壓力增加，中心導桿溫度逐漸降低。這是由于隨著壓力從0.4 MPa 增加到0.6 MPa，氣體密度從25.2 kg/m3增加到38.9 kg/m3，恒壓比熱容從0.677 J/（kg·K）增加到0.69 J/（kg·K），密度與比熱的乘積隨之增加。可知，單位體積熱容的增加對氣體對流換熱產生了促進作用，導致最終絕緣子溫度下降。

2.3 環境溫度對溫度分布的影響

考慮到GIL 的應用地域和氣候季節變化對環境溫度的影響，分別研究了環境溫度為10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃條件下GIL 溫度分布特性。設置負載電流為3 150 A，SF6壓力為0.5 MPa，絕緣子沿面溫度分布結果如圖5 所示。橫軸代表絕緣子沿面上任意一點到導桿的距離，從中心導桿到外殼距離逐漸增加。由圖5 可知，在不同環境溫度條件下，絕緣子表面溫度從中心高壓電極到外部接地屏蔽均呈下降趨勢。

另外，隨著環境溫度升高，絕緣子表面溫度幾乎呈線性增加。王健等人［19］仿真也得到類似的結果，即隨著環境溫度升高，導桿溫度呈現近似線性升高趨勢。

外殼外表面的自然對流散熱為

式中：κe為外殼熱導率；n為界面處法向量；h為外殼與周圍空氣之間自然對流系數；Te和Ta分別為外殼溫度和周圍空氣溫度。

不同環境溫度條件下凸面12 點方向的絕緣子溫度分布特性如圖5所示。

圖5 不同環境溫度條件下絕緣子溫度分布特性

由圖5 可知，隨著環境溫度的升高，外殼外表面自然對流換熱幾乎呈線性減小，而導體產生的熱量保持不變。因此，GIL的整體溫度呈線性增加。

2.4 負載電流對溫度分布的影響

研究負載電流分別為2 500 A、3 150 A和4 000 A條件下絕緣子溫度分布特性。設置環境溫度為20 ℃，SF6壓力設置為0.5 MPa。不同負載電流條件下絕緣子溫度分布特性如圖6所示。

圖6 不同負載電流條件下絕緣子溫度分布特性

由圖6 所示，隨著負載電流增加，絕緣子表面溫度分布呈現由內到外溫度降低趨勢，且絕緣子上部溫度升高，其凸面溫度高于凹面溫度。隨著負載電流增加，由于導桿焦耳熱增加，而散熱幾乎不變，因此絕緣子溫度升高，隨著電流增加，高壓電極的最高溫度與外殼的最低溫度之間的溫差增大。

在GIL 內部，由載流導致的發熱對溫升起到了主導作用。GIL 內部SF6自然對流隨著電流的增加變化不大，而焦耳熱隨著載流增加顯著增大，從而導致作為熱源的導體溫升更加明顯。因此，在開展GIL 或GIS 母線結構設計時應注意高負載電流條件設備內部溫升情況，以避免高溫導致的環氧復合材料絕緣子加速老化。此外，高溫也會加劇電場畸變和電荷積累，這將提高長期運行時設備絕緣失效的風險，因此應該重點關注。

2.5 熱梯度對電場分布的影響

研究溫度梯度對絕緣子電場分布特性的影響。考慮到絕緣子電導率隨溫度變化特性，電場仿真時，絕緣子隨溫度變化的電導率取自L.Zavattoni 測量的結果［20］。仿真中，在中心導桿處施加200 kV 正極性直流高壓，可以獲得溫度梯度場作用下絕緣子電場分布特性。溫度分布結果對應的運行條件為：負載電流3 150 A，環境溫度20 ℃，氣體壓力為0.5 MPa。同時，計算不考慮溫度梯度影響的絕緣子電場分布結果作為參考，電場分布云圖如圖7所示。

從圖7 中結果可以看出，由于絕緣子電導率隨溫度呈指數變化，無論是絕緣子凹面還是凸面，溫度梯度場對電場分布特性均有較大影響。相對于不考慮溫度梯度場的影響，溫度梯度場作用下，絕緣子凹面靠近低壓屏蔽處的電場明顯增大，而絕緣子凸面整體電場均出現明顯增大。因此，在評估直流GIL 絕緣特性時，應考慮溫度梯度場對絕緣子以及氣體絕緣的影響，以獲得更加準確的結果。

圖7 溫度梯度場作用下絕緣子電場分布特性

3 結語

采用有限元方法研究了水平布置的直流GIL 內部盆式絕緣子三維溫度場分布特性，結論如下：

1）由于環氧樹脂復合材料優異的導熱性能，絕緣子的溫度從中心導體到外殼呈現圓環狀降低趨勢。同時，由于自然對流的作用，盆式絕緣子上半部溫度較高，并且其凸面溫度略高于凹面溫度。

2）隨著SF6壓力增大，單位體積熱容增加，對流特性得到改善，絕緣子溫度下降。隨著環境溫度升高，絕緣子溫度呈線性升高趨勢。隨著負載電流增加，絕緣子高低溫溫差逐漸增大，絕緣子整體溫升明顯上升。

3）考慮到絕緣子溫度梯度分布的影響，絕緣子表面電場強度，尤其其凸面電場強度明顯增加。因此，對于長期運行的直流GIL，應特別注意其在高負載電流、不同天氣、不同季節下的絕緣性能。