氣體絕緣組合電器運行海拔對其溫度分布特性的影響

鄭 佳 曹妤婕 常 俊 朱小賢 艾 春 劉淑英

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氣體絕緣組合電器運行中會流通大電流，進而導致溫度從內部導體傳導到外殼，設備運行的海拔高度不同，會導致外部氣壓不同，進而對其溫度分布產生影響。本文通過有限元計算，研究了設備不同海拔高度對其溫度分布特性的影響，為設備運維中溫度測量結果的分析及設備設計提供參考。

氣體絕緣組合電器（GIS）具有體積緊湊、安全性高的特點，在電網中的應用越來越廣泛[1]。GIS裝置經常布置于郊野、都市周邊等運行環(huán)境極端、受力狀況復雜的區(qū)域。近年來，國內投入使用了大批GIS裝置。GIS裝置常年帶負荷運轉，經歷各式各樣的極端環(huán)境，伴隨著裝置運行時間的不斷生長，在服役過程中，GIS裝置也逐步顯露出各式各樣的問題。GIS運行中除了會產生絕緣故障外[2]，溫升太高導致的設備絕緣故障是主要問題之一，它很容易給GIS裝置的健康運行帶來不利影響。GIS內部導體會流通上千安培的大電流，會產生大量熱量，熱量通過絕緣氣體傳導至外殼，并在設備內部形成溫度分布。設備運行的海拔高度不同，會導致外部氣壓不同，進而對其溫度分布產生影響，本文通過有限元計算，研究了不同海拔高度對其溫度分布特性的影響。

1 GIS溫度場分布特性

GIS設備在運行過程中，導電桿、金屬外殼中將要產生電流和渦流損耗。這些損耗將轉化成為熱量，在金屬內部傳導，并傳導至周圍介質中，從而導致GIS裝置溫度升高。導電桿電流熱效應導致其溫度升高，其在溫升的初始階段時，溫度會上升得非常快，但隨著導電桿溫度的逐漸升高，導電桿與周圍氣體介質會有一定的溫度差，此時導電桿會將一部分熱量傳導至其周圍的氣體介質，使其周圍的氣體介質溫度也隨導電桿溫度的升高而升高。此后，導電桿的溫度上升速率會漸漸降低，再經過一段時間，GIS設備各組件之間的熱量傳遞達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時GIS各部分的溫度不再繼續(xù)升高，此時為熱平衡狀態(tài)。在該階段，導電桿電流熱效應和外殼渦流產生的熱量會全部散發(fā)到外部的空氣中。

在熱平衡狀態(tài)下，GIS設備內部熱源產熱到熱傳導的路徑是比較復雜的。GIS設備中一般有以下這幾種熱量流通路徑。

（1）導電桿電流熱效應、金屬外殼渦流損耗所產生的熱量，將由熱源位置，通過一定規(guī)律的熱傳導方式，傳導至導電桿和外殼的外表面。

（2）導電桿熱源和外殼熱源中的熱量傳導至其邊界以后，導電桿及外殼的邊界與導電桿外部氣體及外殼外部空氣之間存在溫差。因此導電桿和外殼可以將熱量傳導至其邊界以外的絕緣氣體及空氣中，從而使絕緣氣體和空氣的溫度逐步上升。

（3）外殼導電桿之間的絕緣氣體接觸到外殼時，通過熱傳導和熱輻射作用，絕緣氣體又會將熱量傳導給外殼，導致外殼的溫度上升；熱量再經由外殼內壁傳導至外殼外壁；由于外殼與外界環(huán)境存在溫差，再通過傳熱作用，熱量被傳導至外界環(huán)境中。

從以上內容不難發(fā)現(xiàn)，GIS導電桿和外殼熱源從產熱到將其散發(fā)至GIS的外界環(huán)境中，需歷經許多步驟。熱傳導過程中的每一步都要求兩種導熱介質之間存在溫差，導熱介質之間溫差的大小與熱源和介質的物理性質相關。

2 GIS溫度特性的有限元計算

有限元法（Finite Element Method），英文縮寫為FEM，起源于二十世紀中期。它是一種數(shù)學、計算機、力學多學科交叉的高效能數(shù)值計算方法。工程科學計算與分析是有限元法初顯身手的領域，有限元法被運用于數(shù)值模擬和解決熱學、電磁學、工程力學等工程學科問題。而在有限元法出現(xiàn)以前，普通的數(shù)學解析計算求解不了擁有無定形結構的復雜模型。故有限元法的出現(xiàn)，為世人帶來了一種高效的計算分析途徑。

有限元法的中心思想：化整為零，集零為整。使用簡單問題來代替復雜問題，然后通過解出簡單問題，進而獲得復雜問題的解。首先確定模型的待求解域，再按照軟件求解器所確定的方法針對待求解域進行離散，將它們劃分為有限數(shù)量的單元。因為離散單元可以根據(jù)不同聯(lián)結方法拼接，其自身也擁有各種各樣的形態(tài)，因而待求解的單元可劃分為各式各樣形態(tài)的待求解小網格。之后對各個小網格開展數(shù)值模擬，最終通過各個小網格的求和，完成整體上的求解。

FEM計算過程：①添加模型各部分使用的材料（可手動修改材料物理參數(shù)值）；②建立模型的待求解區(qū)域，離散化模型，使其劃分為有限量的單元。將連續(xù)區(qū)域分解為單元與節(jié)點等大量個體的問題；③確定各個單元或節(jié)點的近似連續(xù)基函數(shù)，輸入預先定義的積分方程；④對各個單元進行求解分析，建立關于各個單元的整體剛度相關矩陣；⑤將各個單元合成整體的有限元方程，賦予初始條件、邊界條件以及載荷；⑥求解分析區(qū)域中的線性微分方程組，解出節(jié)點的數(shù)值模擬計算結果。

本文對GIS裝置進行了FEM仿真計算，GIS裝置的模型比較復雜，在其內部擁有不少曲率半徑小的邊界。根據(jù)不同的要求，待求解網格可劃分為各式各樣的形狀，故運用FEM可以對復雜的待求解區(qū)域進行數(shù)值模擬計算，從而獲得更接近實際情況的解。顯然，若在求解區(qū)域的插值函數(shù)滿足仿真要求，對問題的求解精度會隨著網格數(shù)量的增加而提高。隨著迭代次數(shù)的增加，函數(shù)的解最終將收斂并低于一定殘差。同時，在開展劃分網格的工作之前，應首先對需要獲得精確解的區(qū)域進行人工網格細化。但是，若劃分網格的數(shù)量無限增加，節(jié)點數(shù)量太大時，肯定會導致節(jié)點數(shù)量過多、剖分形式復雜等問題。對于計算機而言，會導致其內存需求過大，使求解時間大大增加，所以當計算機的配置一般時，無法對復雜的問題進行求解。因此，在解決實際工程問題劃分網格的過程中，只要網格細化的程度使解得的數(shù)據(jù)滿足工程要求即可。

將GIS的有限元模型分為4層：導電桿內SF6氣體、導電桿、外殼導電桿之間的SF6氣體、外殼。建立GIS的三維磁場—熱場—流場有限元模型，將GIS導電桿的電流熱效應損耗和金屬外殼的渦流損耗作為熱源，耦合到熱場和流場中，從而得到GIS設備達到穩(wěn)態(tài)時的溫度場和內部氣體流速場，進而對GIS裝置的溫度分布情況和內部氣體流動趨勢展開分析。

3 海拔對設備內部溫度分布的影響規(guī)律

本文采用電磁場—熱場—流場多物理場耦合的有限元軟件分析法，對GIS設備的溫度場、SF6氣體流速場進行數(shù)值模擬計算。仿真綜合考慮了GIS設備材料、SF6氣體流速、SF6氣體重力加速度、導體電導率的溫度效應、金屬外殼的渦流損耗、SF6氣體對流散熱與SF6氣體輻射散熱等多種因素對GIS設備溫度場的影響。以220kV GIS參數(shù)構建計算模型，改變GIS所處的海拔位置（銅芯鋁殼GIS，外部空氣自然對流，額定電流大小：3150A，外界溫度：293.15K，SF6氣壓：0.5MPa）的條件下，研究海拔對GIS溫度場的影響。考慮到輸電線路及變電所有可能建設在海拔5000m的高原地區(qū)，故仿真的海拔范圍為0m至5000m，梯度為1000m。不同海拔下的溫度和溫升計算結果如表1所示。

表1 不同海拔下的溫度和溫升

由表1可以看出，隨著海拔的上升，外界環(huán)境的氣壓下降，GIS裝置與外部空氣的自然對流作用減弱，導致GIS的散熱效果變差，導致GIS的外殼和導電桿溫度隨著海拔的上升，顯現(xiàn)出了升高趨勢。但溫度隨海拔上升而升高的幅度并不大，不超過1℃。具體變化趨勢如圖1所示。

圖1 不同海拔下外殼和導電桿溫升

由圖1可以看出，外殼和導電桿溫升隨著海拔上升而上升，但擬合曲線顯現(xiàn)出了非線性，這是因為在海拔均勻變化之時，氣壓并不是均勻變化的。

4 結論

本文以220kV GIS為對象，構建了其溫度分布計算模型，計算了不同海拔高度下的溫度分布情況，結果表明隨著海拔升高，外界環(huán)境氣壓降低，散熱效果變差，溫升逐漸上升。結果為高海拔地區(qū)GIS設備的運行及維護提供了參考。