發(fā)熱缺陷下G IS內(nèi)部溫度分布數(shù)值分析

楊明昆，馬宏明，何順，彭兆裕，邱鵬鋒，程志萬

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217）

0前言

由于GIS設(shè)備具有占地面積小、運行可靠、設(shè)備檢修維護(hù)周期長等優(yōu)點，近年來在電力系統(tǒng)各電壓等級中得到大力應(yīng)用和推廣。隨著GIS設(shè)備數(shù)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(xiàn)為發(fā)熱型缺陷、放電型缺陷和機械型缺陷。其中發(fā)熱型缺陷是GIS設(shè)備的主要缺陷，具體原因主要包括導(dǎo)電回路接觸不良、絕緣整體受潮和老化等[1]。

目前對于GIS設(shè)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(shù)具有不停電、不接觸、不解體、不取樣等一系列優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中；其次紅外測溫技術(shù)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(dá)到精確測溫的要求，因此通過紅外測溫技術(shù)已經(jīng)成為分析診斷GIS設(shè)備熱缺陷的一種重要手段[2-3]。

1研究現(xiàn)狀

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

為探究GIS外殼溫度分布同GIS內(nèi)部導(dǎo)體熱狀態(tài)的關(guān)系，華北電力大學(xué)、武漢大學(xué)、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院等研究機構(gòu)的研究者從GIS內(nèi)部的溫度經(jīng)輻射、傳導(dǎo)、對流后的分布出發(fā)進(jìn)行了試驗和仿真研究[5-8]。

本文通過使用數(shù)值分析的方法，主要針對GIS母線存在內(nèi)部導(dǎo)體發(fā)熱故障時的情況進(jìn)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(dǎo)體作為模型，對導(dǎo)體存在發(fā)熱缺陷的工況進(jìn)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(guī)律。

2 GIS內(nèi)部溫度場數(shù)值分析

2.1仿真模型的建立

1）模型的建立及假設(shè)

為探究GIS殼體的溫度分布，本文對GIS母線段進(jìn)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(jìn)行如下假設(shè)：

a.GIS外表面與空氣自然對流傳熱；

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

c.流體性質(zhì)滿足Boussinesq 假設(shè)，且GIS內(nèi)氣體視為SF6氣體的單一組分。

d.導(dǎo)體內(nèi)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(shè)為恒定來模擬無風(fēng)、無光照的環(huán)境溫度。

2）仿真計算過程中應(yīng)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(zhì)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(yīng)氣體或固體材料的密度；Cp表示相應(yīng)氣體或固體材料的比熱容；K 表示相應(yīng)氣體或固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)；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(dǎo)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(dǎo)熱微分方程和相應(yīng)的邊界條件即可構(gòu)成求解超導(dǎo)帶材試品在進(jìn)行測試時的熱場方程。

2.2物性參數(shù)的設(shè)置

部分物性參數(shù)的設(shè)置如表1所示：

表1物性參數(shù)設(shè)置表

導(dǎo)體的熱導(dǎo)率取209W/(m.K)。

2.3網(wǎng)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(jìn)行有限元分析計算。在ANSYS中構(gòu)建所需求解的二維幾何模型后，將幾何模型導(dǎo)入劃分網(wǎng)格模塊進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格圖像如圖2所示。

圖2 ANSYS網(wǎng)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(wǎng)格需相互對齊。

圖3界面處網(wǎng)格劃分圖

使用Fluent 求解器時，模型設(shè)置采用二維穩(wěn)態(tài)模型，并設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)值計算尺寸參數(shù)

當(dāng)設(shè)置環(huán)境溫度為27℃（300 K），導(dǎo)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(nèi)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(xiàn)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(huán)境溫度為（27℃）不變，隨著導(dǎo)體溫度上升，外殼溫度的變化如表3所示。

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

圖7外殼溫度隨導(dǎo)體溫度變化圖像

表3外殼溫度隨導(dǎo)體溫度變化表

2.4.2三相導(dǎo)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(shù)值計算尺寸參數(shù)

當(dāng)設(shè)置環(huán)境溫度為27℃（300 K），導(dǎo)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(nèi)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(xiàn)上部溫度高于下部溫度的分布趨勢，且呈現(xiàn)左右對稱分布的特征。

圖10外殼溫度分布

保持環(huán)境溫度為（27℃）不變，隨著導(dǎo)體溫度上升，外殼溫度的變化如表5所示。

由圖11可知，在環(huán)境溫度一定的情況下，且外界無風(fēng)也無光照的情況下，外殼的最高溫度和外殼的溫差隨著導(dǎo)體溫度的上升而上升，其變化規(guī)律近似呈線性增長。在此假設(shè)模型的計算下，三相導(dǎo)體均為50℃時，GIS母線導(dǎo)體的外殼的溫差為3 度。相比較單相GIS 母線而言，在導(dǎo)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(dǎo)體溫度同時變化時外殼溫度變化情況表

圖11三相GIS導(dǎo)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(dǎo)體溫度不均衡條件下溫度分布

當(dāng)三相共箱母線模型三相導(dǎo)體的溫度分布不均衡時，探究其溫度分布如下。

當(dāng)A 相導(dǎo)體發(fā)生故障導(dǎo)致導(dǎo)體溫度上升的情景下，設(shè)置A 相導(dǎo)體溫度為100℃，B、C相導(dǎo)體為50℃。環(huán)境溫度設(shè)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(nèi)溫度分布圖

圖13 GIS內(nèi)SF6流速分布

從溫度分布看，A 相故障導(dǎo)致A 相導(dǎo)體溫升時，GIS內(nèi)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?qū)wA 側(cè)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(dǎo)體發(fā)生發(fā)熱故障的情況同A 相故障時情況類似，是A 相發(fā)生故障時的對稱情況。

當(dāng)C相導(dǎo)體發(fā)生故障導(dǎo)致導(dǎo)體溫度上升的情景下，設(shè)置C相導(dǎo)體溫度為100℃，A、B相導(dǎo)體為50℃。環(huán)境溫度設(shè)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(nèi)SF6流速分布

從溫度分布看，C相故障導(dǎo)致C 相導(dǎo)體溫升時，GIS內(nèi)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(jié)果可以得出這樣的結(jié)論，通過GIS外殼反映GIS導(dǎo)體內(nèi)部運行狀況時，不僅要關(guān)注GIS外殼的溫差，還要關(guān)注GIS外殼相對于環(huán)境溫度的溫升。

2.4.4環(huán)境溫度對GIS外殼溫度分布的影響

外界環(huán)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(dǎo)體的溫度為53℃，改變環(huán)境溫度的設(shè)置，得到如表6所示數(shù)據(jù)。

表6單相GIS導(dǎo)體外殼溫度分布隨環(huán)境溫度變化情況表

圖18單相GIS導(dǎo)體外殼溫度分布隨環(huán)境溫度變化情況曲線

由圖18可知，GIS導(dǎo)體溫度一定時，隨著環(huán)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(huán)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(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比較時，環(huán)境溫度也是不可忽略的重要因素[14-15]。

3結(jié)束語

1）GIS外殼溫度受到內(nèi)部因素和外部因素的影響。本文主要考慮內(nèi)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(guī)律。對于母線導(dǎo)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(xiàn)上部殼體溫度高于下部殼體溫度的特點。且在無風(fēng)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(huán)境溫度一定，且外界無風(fēng)也無光照的情況下，外殼的最高溫度和外殼的溫差隨著導(dǎo)體溫度的上升而上升。

3）水平放置的三相共箱式GIS，當(dāng)導(dǎo)體故障發(fā)熱導(dǎo)致三相導(dǎo)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(xiàn)在GIS外殼頂端。僅有一相導(dǎo)體發(fā)熱且發(fā)熱溫度一定的情況下，GIS內(nèi)位于上部的導(dǎo)體發(fā)熱導(dǎo)致的GIS外殼溫升更高。

4）GIS導(dǎo)體溫度一定時，隨著環(huán)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(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比較時，環(huán)境溫度等外部因素也是不可忽略的重要因素。