張耀儀

摘 要：為了有效研究GIS母線局部過熱故障對母線氣室外殼表面溫度的影響，本文基于三相共箱式GIS母線結(jié)構(gòu)，采用COMSOL仿真軟件對其進(jìn)行建模仿真研究。研究結(jié)果表明：當(dāng)GIS流過電流低于0.5kA時，氣室外殼溫差不明顯，但當(dāng)流過電流1kA及以上時，可以通過氣室外殼溫差檢測GIS氣室內(nèi)是否存在過熱故障；隨環(huán)境溫度的增大，導(dǎo)體溫度、氣室外殼溫度近似線性增加，且環(huán)境溫度對外殼的溫差很小。

關(guān)鍵詞：三相共箱 GIS母線 過熱故障 仿真 研究

中圖分類號：TM595 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0035-03

隨著氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear， GIS）的廣泛應(yīng)用，GIS的運(yùn)行可靠性引起了普遍關(guān)注。過去普遍認(rèn)為GIS無需檢修或檢修周期長，但從近幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，GIS設(shè)備內(nèi)部過熱故障是影響GIS可靠性的重要因素之一[1]。GIS設(shè)備一旦發(fā)生故障，處理麻煩且周期長，如處理不當(dāng)，會派生二次故障，加大處理難度[2]，如2014年某電網(wǎng)公司500kV變電站220kV GIS母線接觸面熔斷造成斷線故障并導(dǎo)致三相短路，故障處理前后花費(fèi)一個半月，經(jīng)濟(jì)損失重大。

采用紅外熱效應(yīng)進(jìn)行非接觸式進(jìn)行電力設(shè)備過熱故障診斷是一種在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的在線檢測技術(shù)，但由于紅外在GIS設(shè)備中穿透力很弱，而GIS 母線氣室表面里母線導(dǎo)體距離較遠(yuǎn)，難以GIS母線氣室表面溫度直接反應(yīng)母線故障位置溫度信息，導(dǎo)致運(yùn)維人員不能準(zhǔn)確地掌握母線氣室內(nèi)部的溫度場及其所反映的故障信息。因此，建立三相共箱式GIS母線COMSOL多物理場仿真模型，研究GIS母線局部過熱故障與母線氣室外殼表面溫度的關(guān)系，對維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有重大意義。

1 GIS溫度場分布仿真模型

GIS內(nèi)部過熱故障溫度仿真模型包含了電磁場、流場、溫度場等多個物理場。為提高計算準(zhǔn)確性，本文采用電磁場和流場的雙向耦合，計算過程中，其每一個網(wǎng)格單元均參與了電磁場、流場、溫度場計算，各網(wǎng)格單元能量傳遞過程如圖1所示。

1.1 電磁場數(shù)學(xué)模型

GIS設(shè)備中發(fā)熱損耗屬于低頻渦流損耗問題，發(fā)熱主要來源于電流通過導(dǎo)體主回路時產(chǎn)生的焦耳熱，金屬外殼中感應(yīng)出的渦流損耗。

本模型空氣與SF6氣體比熱Cp、導(dǎo)熱系數(shù)k和動力粘度μ均采用常數(shù)。對于密度計算，空氣的密度采用理想氣體模型；由于SF6分子間吸引力隨密度增加而顯著增大，采用理想氣體變化規(guī)律推導(dǎo)出來的密度參數(shù)會有較大誤差，因此本模型采用工程上常用的Beattie-Bridgman公式計算求取。

1.3 溫度輻射數(shù)學(xué)模型

對于GIS壁面輻射時刻存在并包含兩部分，即GIS內(nèi)部母線、氣室表面之間輻射與外部環(huán)境、氣室外表面之間的輻射，其計算方法如下。

2 252kV GIS數(shù)值仿真研究

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)近年來某電網(wǎng)公司的GIS母線過熱故障，選擇GIS母線盆式絕緣子附近連接處為發(fā)熱故障點(diǎn)，以實(shí)際GIS設(shè)備為原型進(jìn)行三維建模分析，通過電流1kA，模擬此處電阻400μΩ。

2.2 不同接觸電阻下GIS溫度場分布規(guī)律

通過1kA電流時，回路電阻為400μΩ時，GIS母線的溫度場分布情況如下，故障點(diǎn)溫度明顯高于導(dǎo)體其他部位，溫差接近50K，但故障處溫度沿導(dǎo)體的衰減非常快。而針對GIS母線氣室表面，由于過熱點(diǎn)加熱附近SF6氣體向上流動傳熱，加熱了母線上部位置的氣室外殼，此處溫度明顯高于其他部位約2K左右，這與公司發(fā)布的GIS設(shè)備紅外測溫反措結(jié)果一致。

從圖2可以看出，當(dāng)出現(xiàn)螺絲松動或者接觸不良等情況時，在該處會產(chǎn)生較大的溫升，會燒壞該處螺絲，而故障處溫度沿導(dǎo)體的衰減非?？?，內(nèi)部SF6氣體和外殼溫升的變化非常小。

3 GIS設(shè)備內(nèi)部過熱故障氣室外殼溫度影響因素分析

目前，電力設(shè)備紅外測溫均在夜間或早晨無日照情況下進(jìn)行，因此，在接觸面回路電阻一定情況下，本文主要考慮過熱點(diǎn)發(fā)熱功率與設(shè)備周圍環(huán)境溫度對氣室外殼溫度影響進(jìn)行計算分析。

3.1 電流對氣室外殼溫度的影響

本文選擇接觸面回路電阻350μΩ，環(huán)境溫度25℃，通過0.2kA、0.6kA、1.0kA、1.4kA、1.8kA、2.2kA，此時，GIS母線與母線氣室外殼最高溫度如下圖所示：隨電流增大，發(fā)熱點(diǎn)功率迅速增大，導(dǎo)致母線過熱點(diǎn)溫度快速上升。而由于環(huán)境因素及SF6流動傳熱的影響，GIS氣室外殼上升緩慢，并且，在溫度低于0.5kA時，氣室外殼溫差并不明顯，但隨著電流的增大，氣室外殼溫差逐漸增大，當(dāng)通過電流大于1kA時，氣室外殼溫差較為明顯，如圖3所示。

3.2 環(huán)境溫度對氣室外殼溫度的影響

本文選擇接觸面回路電阻350μΩ，通過0.2kA，環(huán)境溫度5℃、10℃、15℃、20℃、25℃進(jìn)行計算，研究環(huán)境溫度對GIS溫度的影響，計算結(jié)果如下圖所示，由于環(huán)境溫度通過氣室外殼傳熱的影響，隨環(huán)境溫度的增大，導(dǎo)體溫度、氣室外殼溫度逐漸增加，并且發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和外殼溫度都近似線性增長，環(huán)境溫度對外殼的溫差很小。

4 結(jié)語

本文通過三相共箱式GIS母線COMSOL多物理場仿真軟件對其進(jìn)行建模仿真研究，取得結(jié)論如下：在溫度低于0.5kA時，氣室外殼溫差并不明顯，但隨著電流的增大，氣室外殼溫差逐漸增大，當(dāng)通過電流大于1kA時，氣室外殼溫差較為明顯。隨環(huán)境溫度的增大，導(dǎo)體溫度、氣室外殼溫度逐漸增加，并且發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和外殼溫度都近似線性增長，環(huán)境溫度對外殼的溫差很小。

參考文獻(xiàn)

[1] 文韜，張喬根，郭璨，等.沖擊電壓下SF6棒-板間隙放電極性效應(yīng)的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象[J].高電壓技術(shù)，2015，41（1）：275-281.

[2] 孫國霞，關(guān)向雨，金向朝，等.基于多場耦合計算的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備母線接頭過熱性故障分析[J].高電壓技術(shù)，2014，40（11）：3445-3451.