基于有限元分析的單相GIS隔離開關(guān)溫度場仿真研究

趙雪辰，陳 強(qiáng)

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

0 引 言

近年來隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展，氣體絕緣組合電器（GIS）以運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1，2］。但同時(shí)，其嚴(yán)格密封、內(nèi)部空間狹小、負(fù)荷電流大等特點(diǎn)，導(dǎo)致GIS導(dǎo)體損耗發(fā)熱問題日益突出，尤其當(dāng)GIS出現(xiàn)觸頭接觸故障時(shí)，隨著接觸電阻增大，負(fù)載電流的流過將產(chǎn)生觸頭過熱現(xiàn)象［3，4］。觸頭局部過熱常會(huì)引起絕緣材料老化，設(shè)備絕緣水平降低，嚴(yán)重威脅GIS設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行［5－7］。因此，為保障電力設(shè)備運(yùn)行安全，有必要對GIS內(nèi)導(dǎo)體觸頭發(fā)熱狀態(tài)、溫度分布規(guī)律、熱量散失機(jī)理等多方面因素進(jìn)行準(zhǔn)確深入的計(jì)算分析。

本文以單相126 kV GIS隔離開關(guān)為例，運(yùn)用有限元分析將溫度場計(jì)算與流體場計(jì)算相結(jié)合，建立GIS損耗發(fā)熱的有限元計(jì)算模型。在探討對流與輻射散熱、屏蔽罩、SF6氣體濃度、環(huán)境溫度以及重力等因素對損耗發(fā)熱計(jì)算結(jié)果影響的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析了GIS內(nèi)溫度的分布規(guī)律。

1 單相GIS隔離開關(guān)溫度場計(jì)算模型

本文以單相GIS隔離開關(guān)為研究對象，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析之前，首先作以下假設(shè)：

（1）GIS熱量傳遞處于穩(wěn)態(tài)過程。

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

（3）GIS設(shè)備外殼、導(dǎo)體和屏蔽罩材料的屬性參數(shù)為常數(shù)，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(fēng)速以及太陽輻射對于溫升的影響。

本文以實(shí)際126 kV GIS為尺寸原型，所創(chuàng)建的簡化幾何模型基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單相GIS隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2 單相GIS隔離開關(guān)溫度場計(jì)算結(jié)果分析

2.1 單相GIS隔離開關(guān)溫度場分布規(guī)律

基于以上計(jì)算模型，設(shè)置導(dǎo)體溫度為固定值98℃，外部環(huán)境溫度為固定值27℃，內(nèi)部SF6氣體工作壓力為0.4 MPa；GIS內(nèi)部由于經(jīng)過拋光處理，輻射系數(shù)為0.05，GIS外部輻射系數(shù)設(shè)為0.85。GIS內(nèi)隔離開關(guān)溫度分布情況如圖2（a）、（b）所示。由圖2（a）可知，當(dāng)隔離開關(guān)水平放置時(shí)，同一截面上溫度分布呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，總體趨勢為中軸兩側(cè)左右基本對稱，上部溫度高于下部。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于：內(nèi)部SF6氣體受導(dǎo)體的加熱作用，使得距離導(dǎo)體較近的氣體高于靠近外殼的氣體溫度，同時(shí)在重力的作用下產(chǎn)生氣體熱浮力，靠近導(dǎo)體部分的氣體向上流動(dòng)，在流動(dòng)路徑上收到外殼頂部的阻擋，氣體被迫分為左右兩股。同時(shí)，由于隔離開關(guān)本身是幾何對稱結(jié)構(gòu)，因而氣體運(yùn)動(dòng)左右對稱，從而導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)上高下低，溫度差在1℃左右，外殼溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在裸露導(dǎo)體的正上方。造成上述溫度分布形式的主要原因在于，導(dǎo)體上方氣體流速較高，熱量主要以輻射與對流的方式進(jìn)行傳遞，導(dǎo)體下方氣體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，熱量主要以輻射與熱傳導(dǎo)的方式傳遞，而SF6氣體的對流換熱能力明顯優(yōu)于其熱傳導(dǎo)能力。此外，由外殼溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在裸露導(dǎo)體正上方可以看出，屏蔽罩的存在一定程度上阻礙了導(dǎo)體熱量的散失。

圖2 單相GIS隔離開關(guān)溫度分布云圖

2.2 GIS導(dǎo)體與外殼溫度關(guān)系

圖3給出了環(huán)境溫度一定，導(dǎo)體溫度連續(xù)變化時(shí)外殼溫度變化過程。曲線中外殼溫度數(shù)值為外殼溫度最高點(diǎn)溫度值。計(jì)算中設(shè)置外部環(huán)境溫度為固定值27℃；內(nèi)部SF6氣體工作壓力為0.3 MPa；GIS內(nèi)部輻射系數(shù)為0.05，GIS外部輻射系數(shù)設(shè)為0.85。由圖3可以看出當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，外殼溫度隨著導(dǎo)體溫度升高而升高，溫度上升趨勢近似線性關(guān)系，導(dǎo)體平均每升高10℃，外殼溫度升高近似0.5℃。

2.3 GIS內(nèi)SF6工作氣壓對隔離開關(guān)溫度分布的影響

隨著GIS內(nèi)部氣壓的增大，SF6氣體的密度、熱導(dǎo)率、粘性系數(shù)等參數(shù)也將隨之改變，因此，GIS內(nèi)部氣壓的變化必然會(huì)導(dǎo)致GIS內(nèi)部溫度分布的變化。本文計(jì)算了GIS內(nèi)部氣壓為0.1 MPa～0.5 MPa時(shí)溫度的分布情況。計(jì)算中設(shè)置外部環(huán)境溫度為固定值27℃，導(dǎo)體溫度為固定值98℃；GIS內(nèi)部輻射系數(shù)為0.05，GIS外部輻射系數(shù)設(shè)為0.85。計(jì)算間隔為0.05 MPa。

圖3 單相GIS隔離開關(guān)導(dǎo)體與外殼溫度曲線

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)改變GIS內(nèi)部氣壓，GIS溫度場分布規(guī)律并不發(fā)生變化，溫度分布仍然呈現(xiàn)出左右基本對稱，上部溫度高于下部，外殼溫度最高點(diǎn)仍然在裸露導(dǎo)體正上方。然而溫度梯度分布發(fā)生了變化，尤其GIS外殼溫度變化非常明顯，其基本規(guī)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(xiàn)線性關(guān)系。由于本次計(jì)算采用導(dǎo)體固定溫度值，因此隨著氣壓升高外殼與導(dǎo)體間溫度差減小，由此可以得出結(jié)論，隨著氣壓升高，SF6氣體的導(dǎo)熱性能也逐漸升高。

3 結(jié) 論

（1）由于重力作用下的熱浮力存在，GIS內(nèi)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(shí)際的傳熱效果。

（2）對于水平放置的單相GIS設(shè)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(nèi)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(guān)外殼溫度梯度分布明顯，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在裸露導(dǎo)體正上方，屏蔽罩的存在改變了內(nèi)部溫度分布，一定程度上阻礙了導(dǎo)體熱量散失。

（4）環(huán)境溫度一定時(shí)，外殼溫度隨著導(dǎo)體溫度升高而升高，溫度上升趨勢近似線性關(guān)系，導(dǎo)體平均每升高10℃，外殼溫度升高近似0.5℃。此外GIS內(nèi)部氣壓對GIS內(nèi)部熱量傳遞影響顯著。

［1］ 師曉巖，查 瑋，孫 福，等.UHV GIS內(nèi)部溫度場的紅外熱診斷技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，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(guān)母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（4）：155－160.

［3］ 魏 翔.氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜在線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電工電氣，2010（1）：51－54.

［4］ 張良勝，張 杰.紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)在封閉開關(guān)柜中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（1）：150－153.

［5］ 武勝斌，鄭 研，陳志彬.基于紅外測溫技術(shù)的GIS導(dǎo)體溫度在線監(jiān)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(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制［J］.高壓電器，2009，45（2）：11－17.

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