基于溫度檢測的氣體絕緣開關(guān)接觸狀態(tài) 場路結(jié)合分析法

李征宇，高晉文，高寶明，原 帥，李 琦，牌永鋒

（1.國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，山西 太原 030000； 2.國網(wǎng)山西省電力公司輸電檢修分公司，山西 太原 030000； 3.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

氣體絕緣開關(guān)（gas insulated switchgear，GIS）作為電力系統(tǒng)中的重要裝備之一，準(zhǔn)確評估其運(yùn)行狀態(tài)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。GIS由于在運(yùn)行過程中要頻繁開斷，動(dòng)、靜觸頭間的接觸狀態(tài)易出現(xiàn)異常，導(dǎo)致觸頭間極易放電，進(jìn)而引發(fā)事故給電力系統(tǒng)帶來巨大的安全隱患。在隔離開關(guān)接觸故障早期，其典型特征是觸頭接觸電阻增大，并伴隨異常發(fā)熱。如果能夠通過溫度檢測，在故障初期發(fā)現(xiàn)GIS觸頭的接觸不良狀態(tài)，將有利于及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步發(fā)展釀成更嚴(yán)重電氣事故。因此，開展GIS溫度檢測方法的研究，提出切實(shí)可行的GIS觸頭接觸狀態(tài)評估方法是十分必要的。

目前，基于溫度檢測的GIS熱特性分析方法可分為2類：實(shí)測分析法和仿真分析法。實(shí)測分析法即在實(shí)物測量平臺(tái)上，設(shè)置不同運(yùn)行條件并進(jìn)行試驗(yàn)，獲取不同測點(diǎn)的溫度值進(jìn)而分析GIS熱特性[3]。文獻(xiàn)[4]利用紅外成像技術(shù)研究了GIS局部過熱故障時(shí)的殼體溫度分布規(guī)律；文獻(xiàn)[5]采用光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行殼體多點(diǎn)測溫分析，可推算出GIS導(dǎo)體觸頭溫度。然而，實(shí)測分析法難以測量GIS內(nèi)部溫度，評估GIS接觸狀態(tài)的準(zhǔn)確性欠佳。此外，實(shí)測分析法還存在試驗(yàn)成本高，難以模擬實(shí)際環(huán)境影響因素等缺點(diǎn)。因此，該方法多用于驗(yàn)證理論分析。

仿真分析法常用的建模方法主要分為等效熱路模型和多物理場耦合模型。等效熱路模型是根據(jù)傳熱學(xué)基本定律和電路理論，在將分布熱源和熱阻等效為集中熱源和熱阻的假設(shè)條件下，為GIS建立等效熱路模型，并通過電路理論分析求解該模型得到GIS代表測點(diǎn)的溫度值。文獻(xiàn)[6]采用等效熱路模型計(jì)算并分析了GIS的熱特性，并試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性；文獻(xiàn)[7]將等效熱路模型用于計(jì)算GIS溫升，其與有限元計(jì)算結(jié)果對比證明了該方法的正確性。等效熱路模型簡單、計(jì)算量小，但其無法描述GIS的溫度分布，且計(jì)算精度低。

多物理場耦合模型[8]的優(yōu)點(diǎn)是可以對任意形狀的設(shè)備進(jìn)行建模，并考慮電磁-熱-流多個(gè)物理場間的相互影響，可用于分析GIS復(fù)雜區(qū)域的熱損耗及熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射等散熱方式。文獻(xiàn)[9-12]采用三維多物理場耦合模型分析了GIS的電磁場、溫度場和流場，并通過試驗(yàn)對比驗(yàn)證了該仿真方法的正確性；文獻(xiàn)[13]在考慮接觸電阻與渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了外部空氣域?qū)IS溫度場計(jì)算的影響；文獻(xiàn)[14]建立了電磁-熱-流多場耦合的GIS仿真模型，并利用該模型分析了接觸電阻變化時(shí)對GIS溫升的影響；文獻(xiàn)[15]在GIS仿真計(jì)算和試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，提出了基于殼體溫升推算GIS觸頭溫升的解析方法；文獻(xiàn)[16]對比分析了2種不同接觸狀態(tài)下的GIS溫升特性。多物理場耦合模型計(jì)算精度高，且可反映求解域內(nèi)的電磁、溫度和流體分布，但其亦存在模型復(fù)雜、相較于等效熱路模型計(jì)算速度慢的缺點(diǎn)。

當(dāng)前，基于仿真分析法的GIS接觸狀態(tài)評估方法難以滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。其原因主要有：1）GIS封裝在殼體內(nèi)部，需通過對GIS殼體溫度的測量來反映其內(nèi)部的熱特性。而殼體溫度不僅與內(nèi)部導(dǎo)桿的熱損耗有關(guān)，而且還受其周圍環(huán)境因素影響?，F(xiàn)有的評估方法多數(shù)僅考慮單一的環(huán)境因素，導(dǎo)致該方法缺乏實(shí)用性。2）現(xiàn)有的評估方法難以兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。綜上所述，現(xiàn)有的GIS仿真分析法尚無法滿足實(shí)際現(xiàn)場快速、可靠的評估要求。

本文提出基于溫度檢測的GIS接觸狀態(tài)場路綜合分析法，通過建立GIS的電磁-熱-流多物理場耦合模型，綜合分析動(dòng)靜觸頭接觸電阻和環(huán)境溫度、各級(jí)風(fēng)速及太陽輻射對GIS溫度分布的影響規(guī)律，確定基于溫度檢測的隔離開關(guān)接觸狀態(tài)評估方法的適用范圍。在此基礎(chǔ)上，建立考慮熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種散熱方式的等效熱路模型，并利用GIS多物理場耦合仿真結(jié)果給出關(guān)鍵熱阻參數(shù)計(jì)算方法，求解得到導(dǎo)桿與殼體之間的SF6氣體對流散熱等效熱阻、殼體內(nèi)外表面之間的等效熱阻及殼體外表面與空氣之間的等效熱阻。利用上述場路結(jié)合分析法，通過檢測殼體上下代表測點(diǎn)的溫差來求解接觸電阻，從而實(shí)現(xiàn)GIS接觸狀態(tài)的評估。搭建實(shí)物測試平臺(tái)，通過與試驗(yàn)結(jié)果對比分析，驗(yàn)證了本文提出評估方法的可行性和優(yōu)越性。

1 氣體絕緣開關(guān)多物理場耦合分析

1.1 研究對象與故障設(shè)置

本文以220 kV的GIS為研究對象。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，GIS的主要部件參數(shù)見表1。由圖1可見，GIS采用手動(dòng)操作方式，通過控制連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度來模擬動(dòng)靜觸頭間不同的接觸狀態(tài)。圖2為GIS觸頭良好接觸和臨界接觸的接觸狀態(tài)示意，借助數(shù)字電橋可測得其對應(yīng)的接觸電阻值。

圖2 GIS觸頭接觸狀態(tài)示意Fig.2 Schematic diagram of contact states of the GIS contact terminal

表1 220 kV GIS主要部件參數(shù)Tab.1 Parameters of main components of the 220 kV GIS

圖1 220kV的GIS結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the 220 kV GIS

在仿真模型中，根據(jù)所測的GIS接觸電阻值，通過設(shè)置不同的導(dǎo)桿電導(dǎo)率可對應(yīng)不同的接觸狀態(tài)。其中接觸電阻R與導(dǎo)桿電導(dǎo)率σ之間的關(guān)系可近似表示為：

式中：l和S分別為導(dǎo)桿長度和截面積；E為導(dǎo)桿中的電場強(qiáng)度。

1.2 GIS多場耦合數(shù)學(xué)模型

考慮到GIS的軸向尺寸遠(yuǎn)大于其徑向尺寸，忽略端部效應(yīng)，GIS模型可等效為二維平行平面場。其幾何模型如圖3所示。由圖3可見，GIS中的電磁場、溫度場及流場會(huì)通過場源項(xiàng)或本構(gòu)關(guān)系相互影響。單一物理場仿真技術(shù)難以精確模擬裝置中發(fā)生的物理過程，也無法驗(yàn)證物理場間的耦合強(qiáng)度。

圖3 GIS幾何模型Fig.3 Geometrical model of GIS

因此，采用多物理場耦合仿真技術(shù)，以期獲得高精度的仿真計(jì)算結(jié)果。GIS電磁場的求解區(qū)域可分為導(dǎo)體區(qū)域和非導(dǎo)體區(qū)域。其中，導(dǎo)體區(qū)域控制方程為：

式中：A1和φ1分別為導(dǎo)體區(qū)域的矢量位函數(shù)和標(biāo)量位函數(shù)；μ1和σ1分別為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率；J為外施電流密度。

非導(dǎo)體區(qū)域控制方程為：

式中：A2為非導(dǎo)體區(qū)域的矢量位函數(shù)。

針對GIS的溫度場求解，需要考慮熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種散熱方式。其中，固體中的熱量傳遞控制方程為：

式中：ρ為密度；c為比熱容；T為溫度；t為時(shí)間；k為導(dǎo)熱系數(shù)；Q為熱源。

GIS導(dǎo)桿與外殼之間的輻射換熱以及殼體與外界環(huán)境的熱輻射控制方程為：

式中：Qf為輻射換熱量；ε1為導(dǎo)桿表面發(fā)射系數(shù)；S1為導(dǎo)桿表面積；δ為黑體輻射常數(shù)；T1為導(dǎo)桿表面溫度；T2為殼體表面溫度。

在流體中的熱量傳遞控制方程為：

式中：u為流體的速度。

對于GIS中的流場求解，因其瑞利數(shù)較小，選擇層流物理模型，其對應(yīng)的控制方程為：

式中：η為流體動(dòng)力黏度；g為重力加速度。

在流體與固體的接觸面，存在對流換熱，即：

式中：q為熱流密度；h為對流換熱系數(shù)；ΔT為流體和物體表面的溫差。

圖4為GIS中多物理場耦合關(guān)系。由圖4可見：溫度場的熱源為導(dǎo)桿和殼體中的電磁損耗，而導(dǎo)桿和殼體所用鋁合金材料的電導(dǎo)率均隨溫度變化；流體速度影響溫度場中的熱對流，而溫度場影響流體的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力黏度，進(jìn)而影響流體流速。

圖4 GIS中多物理場耦合關(guān)系Fig.4 The coupling relation of multi-physical field in GIS

導(dǎo)桿和殼體電磁損耗及電導(dǎo)率的表達(dá)式為：

式中：Q為電磁損耗；E為電場強(qiáng)度；σ為電導(dǎo)率；α為電阻率溫度系數(shù)；σref、Tref分別為參考電導(dǎo)率和參考溫度。

流體物性參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系式為：

式中：P為流體的壓強(qiáng)；K1為流體的摩爾質(zhì)量；K2為通用的氣體常數(shù)；kref、ηref分別為參考導(dǎo)熱系數(shù)、參考動(dòng)力黏度；S為蘇士蘭常數(shù)。

表2為多物理場耦合模型中GIS主要材料參數(shù)。

表2 220 kV GIS主要材料參數(shù)Tab.2 The material parameters of the 220 kV GIS

1.3 基于殼體上下測點(diǎn)溫差的接觸狀態(tài)評估方法

設(shè)環(huán)境溫度20 ℃，導(dǎo)桿中流過1 kA的交流電流，利用有限元法求解GIS多物理場耦合模型，得到GIS溫度分布（圖5）。其中，在殼體外表面上部和下部分別設(shè)定2個(gè)代表測點(diǎn)。

圖5 GIS溫度分布及代表測點(diǎn)設(shè)定Fig.5 Temperature distribution and representative measuring points setting of the GIS

分別設(shè)導(dǎo)桿中流過電流為1、2、3 kA，殼體外表面上下代表測點(diǎn)的溫差隨導(dǎo)桿接觸電阻變化曲線如圖6所示。

圖6 殼體上下代表測點(diǎn)溫差隨接觸電阻的變化Fig.6 Variations of temperature difference between representative measuring points on upper and lower part of the shell with contact resistance

由圖6可見，導(dǎo)桿接觸電阻每增大1倍，殼體上下代表測點(diǎn)溫差分別增大約0.17、0.71、1.62 ℃，均呈線性關(guān)系。即當(dāng)GIS動(dòng)靜觸頭間出現(xiàn)接觸異常時(shí)，可通過測量殼體上下代表測點(diǎn)溫差來間接反映GIS接觸狀態(tài)。

下面分室內(nèi)、室外2種環(huán)境研究通過檢測殼體上下代表點(diǎn)的溫差測量法評估GIS開關(guān)接觸狀態(tài)的方法。

1.3.1 室內(nèi)GIS

選用-20～40 ℃作為室內(nèi)環(huán)境溫度變化范圍，不同環(huán)境溫度下的殼體上下代表測點(diǎn)溫差變化如圖7所示。由圖7可見：導(dǎo)桿電流為1 kA時(shí)，殼體上下測點(diǎn)溫差變化約0.01 ℃；導(dǎo)桿電流為3 kA時(shí)，殼體上下測點(diǎn)溫差變化約0.04 ℃。即在不同外施電流下，環(huán)境溫度的變化引起殼體上下測點(diǎn)溫差的變化僅在0.01～0.04 ℃，影響很小。

圖7 不同環(huán)境溫度下的殼體上下代表測點(diǎn)溫差變化Fig.7 Variations of temperature difference between representative measuring points on upper and lower part of the shell with ambient temperature

設(shè)室內(nèi)風(fēng)速為0～0.20 m/s，風(fēng)向?yàn)闄M向風(fēng)。對應(yīng)仿真模型中將空氣域左側(cè)設(shè)置為進(jìn)口，右側(cè)設(shè)置為出口。在無風(fēng)或風(fēng)速較小時(shí)，GIS殼體周圍的熱空氣仍以向上流動(dòng)為主，流場分布如圖8所示。

圖8 風(fēng)速為0時(shí)GIS流場分布Fig.8 Distribution of GIS flow field with wind speed of 0 m/s

由圖8可見：無風(fēng)時(shí)，殼體上下測點(diǎn)溫差為0.17 ℃；風(fēng)速為0.20 m/s時(shí)，殼體上下測點(diǎn)溫差為0.13 ℃。即室內(nèi)風(fēng)速對殼體上下測點(diǎn)溫差的影響僅在0.05 ℃以內(nèi)。

綜上所述，室內(nèi)環(huán)境溫度及風(fēng)速對本文提出的溫差測量法產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。

1.3.2 室外GIS

將室外風(fēng)速范圍設(shè)置為0～10 m/s，風(fēng)向仍設(shè)為橫向風(fēng)。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，殼體周圍的熱空氣隨之吹向出口側(cè)。圖9為風(fēng)速為5 m/s時(shí)GIS流場分布0～10 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)殼體上下測點(diǎn)溫差的變化曲線如圖10所示。由圖10可見：隨著風(fēng)速增大，殼體上部與下部的散熱條件逐漸趨于一致，殼體上下測點(diǎn)溫差也隨之減小，最終趨近于0。

圖9 風(fēng)速為5 m/s時(shí)GIS流場分布Fig.9 Distribution of GIS flow field with wind speed of 5 m/s

圖10 殼體上下測點(diǎn)溫差隨風(fēng)速的變化Fig.10 Variation of temperature difference between representative measuring points on upper and lower part of the shell with wind speed

白天室外GIS的表面溫度會(huì)受到太陽輻射的影響，將輻射強(qiáng)度設(shè)為1200 W/m2，并考慮右上方45°和左上方45° 2個(gè)入射方向，不同太陽輻射角度下GIS溫度分布如圖11所示。由圖11可見：太陽輻射會(huì)使得GIS整體的溫度上升，且太陽直射側(cè)的溫度明顯高于另一側(cè)的溫度，殼體上下測點(diǎn)溫差增大超過5 ℃。

圖11 不同太陽輻射角度下GIS溫度場分布Fig.11 Temperature field distribution of GIS under conditions with different solar radiation angles

GIS在室外環(huán)境運(yùn)行時(shí)，除了風(fēng)速和太陽輻 射外，雨、雪、霜、塵等因素亦對其溫度分布產(chǎn) 生復(fù)雜的交互影響。因此，僅通過檢測殼體表面溫度并不適用于室外GIS的狀態(tài)評估。而通過模擬不同環(huán)境下的GIS多物理場仿真模型，開發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的GIS接觸狀態(tài)智能評估方法；或者考慮采用振動(dòng)信號(hào)、局部放大信號(hào)等其他特征量來評估室外GIS的狀態(tài)[17-18]，均不失為可行的故障檢測狀態(tài)評估方法。

2 氣體絕緣開關(guān)狀態(tài)評估場路結(jié)合 分析法

在GIS多物理場耦合分析的基礎(chǔ)上，提出了GIS狀態(tài)評估場路結(jié)合法。即建立GIS等效熱路模型，并利用數(shù)值仿真結(jié)果中溫差與熱流量的關(guān)系，求解等效熱路模型中的熱阻參數(shù)。利用該場路結(jié)合預(yù)測模型，可通過檢測并輸入殼體上下測點(diǎn)的溫差值，求解GIS接觸電阻值，從而實(shí)現(xiàn)對GIS接觸狀態(tài)的定量描述。

2.1 等效熱路模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

GIS的等效熱路模型如圖12所示。圖12中：導(dǎo)桿與殼體內(nèi)表面之間的等效熱阻設(shè)為R0；殼體內(nèi)外表面之間上部和下部的等效熱阻分別設(shè)為R1和R2；殼體外表面與上部和下部空氣之間的等效熱阻分別設(shè)為R3和R4；Φ為導(dǎo)桿電流產(chǎn)生的熱損耗。根據(jù)熱阻等效關(guān)系，GIS等效熱路拓?fù)淙鐖D13所示。其中Tup和Tdown分別為殼體上部和下部的代表測點(diǎn)溫度值。

圖12 GIS等效熱路模型Fig.12 Equivalent thermal circuit model of GIS

圖13 GIS等效熱路拓?fù)銯ig.13 Equivalent thermal circuit topology of GIS

2.2 數(shù)學(xué)模型

等效熱阻參數(shù)的取值可利用GIS多物理場耦合模型的溫度場計(jì)算結(jié)果，即：

式中：T0、T1、T2、T3和T4分別為環(huán)境溫度、導(dǎo)桿平均溫度、殼體內(nèi)表面平均溫度、殼體上部外表面平均溫度和殼體下部外表面平均溫度；S0、S1、S2、S3和S4分別為導(dǎo)桿外表面、殼體上部內(nèi)表面、殼體下部內(nèi)表面、殼體上部外表面和殼體下部外表面的面積；d為殼體厚度；k為殼體的導(dǎo)熱系數(shù)；q為熱流密度。

考慮集膚效應(yīng)的影響，等效熱路模型中熱源Φ的表達(dá)式為：

式中：K為交直流電阻比；R為導(dǎo)桿的直流電阻。

2.3 GIS狀態(tài)評估

根據(jù)GIS等效熱路模型，可以得到GIS殼體上下測點(diǎn)的溫度表達(dá)式為：

式中：Rup=R1+R3；Rdown=R2+R4。

殼體上下測點(diǎn)溫差設(shè)為θ，其表達(dá)式為：

由式(19)可以看出，殼體上下測點(diǎn)的溫差值不受環(huán)境溫度T0的影響。并且隨著內(nèi)部熱功率Φ的增大，殼體上下測點(diǎn)溫差值θ線性增大，即可間接反映其內(nèi)部的接觸電阻變化情況。此外，當(dāng)采用上下測點(diǎn)溫差來對GIS接觸狀態(tài)進(jìn)行評估時(shí)，殼體上下測點(diǎn)的測量條件相同，可減少由測量引入的誤差。

根據(jù)式(17)和式(20)，可得接觸電阻R的求解公式為：

由式(21)可以看出，利用殼體上下測點(diǎn)的溫差θ，可求得GIS接觸電阻R，用以定量描述其接觸狀態(tài)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于溫度檢測的GIS隔離開關(guān)狀態(tài)評估場路結(jié)合分析法準(zhǔn)確性，在220 kV的GIS試驗(yàn)平臺(tái)上開展不同接觸狀態(tài)的測溫試驗(yàn)。其中，以FCG-2000/5數(shù)字式大電流發(fā)生器作為GIS電流源，選用優(yōu)利德UT325接觸式測溫儀熱電偶溫度計(jì)測量殼體表面的溫度，圖14為現(xiàn)場試驗(yàn)回路連線。

圖14 現(xiàn)場試驗(yàn)回路連線Fig.14 The field test circuit connection

利用操作機(jī)構(gòu)分別使動(dòng)靜觸頭良好接觸和異常接觸，測得接觸電阻實(shí)際值。然后向GIS中通入1 kA交流電流。待溫度穩(wěn)定，測量不同接觸狀態(tài)下殼體上下測點(diǎn)溫差分別為0.10 ℃和5.20 ℃。

在場路結(jié)合分析模型中輸入殼體上下測點(diǎn)溫差、交流電流值及環(huán)境溫度，計(jì)算得到接觸電阻值（表3）。相較于接觸電阻實(shí)際值，計(jì)算值最大相對誤差為2.53%。即證明了場路結(jié)合分析法評估GIS接觸狀態(tài)的有效性和準(zhǔn)確性。

表3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Tab.3 Comparison between the calculation results and the actual measurement results

4 結(jié)論

1）采用基于殼體上下測點(diǎn)的溫差測量法對接觸狀態(tài)進(jìn)行評估，不僅消除了環(huán)境溫度的影響，而且減小了由測溫儀器引入的誤差。

2）利用多物理場耦合模型分析了GIS接觸狀態(tài)評估方法的適用范圍。借助數(shù)值仿真驗(yàn)證了該方法易受高風(fēng)速和太陽輻射的影響，但亦證明了其在-20～40 ℃室溫范圍內(nèi)用于室內(nèi)GIS狀態(tài)評估的有效性。

3）搭建了220 kV GIS狀態(tài)評估測量試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果表明，接觸電阻計(jì)算值和實(shí)際值相比最大相對誤差為2.53%，表明本文提出方法的有效性和準(zhǔn)確性。