戴偉偉，高 凱，馬 利，金立軍*

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.上海電力科學(xué)研究院，上海 200063)

0 引 言

因其小型化、可靠性高、通流能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，氣體絕緣金屬封閉組合電器(gas insulated switch-gear， GIS)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛[1]。然而其密封性嚴(yán)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)導(dǎo)致負(fù)荷電流下導(dǎo)體發(fā)熱嚴(yán)重，加速絕緣材料老化，造成絕緣性能降低，引發(fā)短路等重大電網(wǎng)事故[2]。因此，對GIS內(nèi)部導(dǎo)體溫度進(jìn)行評估，提前發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)備內(nèi)部缺陷和隱患，對GIS設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

目前，國內(nèi)外用來測量GIS內(nèi)部溫度的方法主要有熱電偶測量內(nèi)部溫度，紅外傳感測溫技術(shù)以及光纖光柵測溫3種方法[3-5]，這些方法只能在GIS設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)才可以檢測出來，不滿足GIS設(shè)備的安全監(jiān)測要求。另外，國內(nèi)外學(xué)者定性研究了GIS內(nèi)部整體溫升的仿真方法，沒有深入研究殼體溫升與導(dǎo)體溫升分布的定量關(guān)系，羅建華[6]于2010年分析了三相GIS母線的溫升問題；武安波[7]在2012年對母線槽進(jìn)行過多物理場的耦合分析；這些研究也僅限于二維分析。

本文將以252 kV GIS隔離開關(guān)為研究對象，基于有限元分析軟件COMSOL建立電磁場-流場-溫度場等多物理場耦合數(shù)學(xué)模型，仿真計(jì)算得到隔離開關(guān)自內(nèi)向外的三維穩(wěn)態(tài)溫度場分布，并通過測溫試驗(yàn)以驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1 GIS設(shè)備多物理場耦合模型

本文以隔離開關(guān)為研究對象。為便于建模計(jì)算，忽略了螺栓等小部件對溫度分布的影響，按照實(shí)際252 kV GIS的尺寸參數(shù)，建立了簡化的物理模型，其軸向剖面如圖1所示。

圖1 GIS隔離開關(guān)物理模型圖

圖1箭頭為載流導(dǎo)體中電流路徑，線條為兩導(dǎo)體觸頭的接觸面，給其設(shè)定某接觸電阻值[8]，電流在此產(chǎn)生焦耳熱多于導(dǎo)體其余部分的熱，可模擬隔離開關(guān)內(nèi)部的過熱缺陷。GIS損耗的求取及熱量的傳遞過程涉及電磁場[9]、流體場及溫度場等多物理場耦合理論。

在整個(gè)GIS求解區(qū)域內(nèi)進(jìn)行電磁渦流場頻域分析，控制方程如下[10]：

鋁合金外殼內(nèi)：

(1)

▽·(-JeωσeA-σe▽φ)=0

(2)

鋁導(dǎo)體內(nèi)：

(3)

總電流密度：

Jz=-jωσeA+Je

(4)

式中：A—磁矢勢；φ—標(biāo)量電位；Je—源電流密度；JZ—總電流密度；μe—材料磁導(dǎo)率；σe—材料電導(dǎo)率；ω—角頻率。

導(dǎo)體域引入輸入總電流有效值電流I作為電流邊界，輸入電流I與導(dǎo)體內(nèi)總電流密度關(guān)系為：

(5)

渦流場導(dǎo)體和外殼電能損耗為：

(6)

GIS溫度分布計(jì)算涉及多熱源、多區(qū)域、多氣體組分的熱量傳遞過程，熱源主要是導(dǎo)體電流和外殼渦流產(chǎn)生的焦耳熱，熱量散失主要包括導(dǎo)體和外殼固體傳熱、腔體內(nèi)部SF6氣體在自然對流下氣體傳熱和外部空氣自然對流下氣體的散熱。因?yàn)楸疚难芯康腉IS設(shè)備是在室內(nèi)無太陽光照、無強(qiáng)對流穩(wěn)定環(huán)境下，可不考慮太陽輻射及空氣強(qiáng)迫對流的影響。該模型中空氣和SF6均采用層流模型，控制方程和邊界條件如下[11]。

質(zhì)量守恒方程：

▽·(ρu)=0

(7)

動量守恒方程：

(8)

能量守恒方程：

ρCpu▽T=▽·(k▽T)+Q

(9)

固體傳熱控制方程：

ρCpu▽T=▽·(k▽T)+Qh

(10)

式中:ρ，Cp，k—?dú)怏w或固體材料的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；u—速度矢量；p—?dú)鈮海沪獭獨(dú)怏w動力粘度；g—重力加速度，指向z軸負(fù)向；Δρ—?dú)怏w熱膨脹引起的密度差；I—單位矩陣；Q—體積熱量。

氣體和固體交界面采用無滑移邊界，殼體外部只考慮空氣的自然對流，采用恒溫邊界條件(T0為環(huán)境溫度)：

T=T0

(11)

2 多物理場耦合計(jì)算結(jié)果與分析

基于隔離開關(guān)的耦合模型，施加邊界條件：GIS外殼外表對流換熱4.5 W/m2，SF6氣體充氣壓強(qiáng)0.3 MPa，對流換熱系數(shù)為12 W/(m2·K)，環(huán)境溫度T0為293 K。為模擬GIS的過熱缺陷，按圖1所示，筆者對整個(gè)鋁導(dǎo)體施加大小3 kA，頻率50 Hz的工頻電流I，觸頭設(shè)置不同阻值的接觸電阻，阻值愈大，電流在此產(chǎn)生的焦耳熱也愈大，從而可模擬不同程度的過熱缺陷。

接觸電阻為0，即設(shè)備無過熱缺陷時(shí)的溫度分布圖如圖2所示。

圖2 接觸電阻0 μΩ時(shí)的溫度分布圖

從圖2中可以看出：設(shè)備內(nèi)無過熱缺陷時(shí)，GIS整體溫升并不明顯，內(nèi)部觸頭溫度300 K，外殼最高溫度296 K，最低294 K，差異不大。

接觸電阻100 μΩ時(shí)整體溫度分布圖如圖3所示。

圖3 接觸電阻100 μΩ時(shí)的溫度分布圖

圖3中，當(dāng)接觸電阻為100 μΩ時(shí)GIS殼體溫度差異顯著，最高溫360.8 K，出現(xiàn)在觸頭正上方偏左位置，是觸頭左側(cè)附近的高溫氣體與觸頭上方的高溫氣體共同對殼體傳熱疊加所致。

接觸電阻100 μΩ時(shí)整體溫度剖面圖如圖4所示。

圖4 溫度場分布剖面圖

圖4中，內(nèi)部溫度分布呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，總趨勢為上高下低，左右對稱，觸頭處氣體熱浮力作用下產(chǎn)生對流，熱氣流溫度高密度小而上浮，冷氣流溫度低密度大而下沉，上浮的熱氣流將熱量傳給殼體，使觸頭正上方殼體區(qū)域溫升達(dá)到最高。穩(wěn)定時(shí)觸頭溫度高達(dá)459 K，發(fā)熱嚴(yán)重。

3 測溫試驗(yàn)論證和內(nèi)部缺陷估算

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，筆者利用252 kV GIS實(shí)驗(yàn)平臺對GIS隔離開關(guān)開展了在線測溫試驗(yàn)。試驗(yàn)采用大電流發(fā)生器加載3 kA的工頻交流電，隔離開關(guān)觸頭接觸電阻為可變電阻。利用光纖光柵溫度傳感器對觸頭及其正上方的殼體外表面分別進(jìn)行溫度測量，測量采用的穩(wěn)態(tài)溫度判據(jù)為：10 min內(nèi)各傳感器測得溫度變化均小于0.2 ℃。

將環(huán)境溫度21 ℃時(shí)，仿真計(jì)算及測溫試驗(yàn)得到的穩(wěn)態(tài)溫度繪制成曲線圖，如圖5所示。

圖5 測溫試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果比較

圖5曲線顯示：仿真和實(shí)驗(yàn)存在一定誤差，誤差一方面來自仿真建模時(shí)的模型簡化和邊界條件設(shè)置，另一方面是由于實(shí)驗(yàn)中GIS內(nèi)部氣體并非SF6而是空氣。但是兩者誤差在可接受范圍內(nèi)，且整體溫度趨勢趨于一致，從而驗(yàn)證了本文GIS多物理場耦合仿真模型的正確性。

IEC6227-1對環(huán)境溫度不高于40 ℃時(shí)高壓開關(guān)產(chǎn)品各部件所能承受的溫度及溫升大小進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)，GIS不同程度的過熱缺陷對應(yīng)的內(nèi)部導(dǎo)體的溫升范圍如表1所示[12]。

表1 不同程度過熱缺陷對應(yīng)的溫升范圍

對GIS仿真計(jì)算和測溫試驗(yàn)的研究表明：內(nèi)部觸頭過熱，在殼體表面會有內(nèi)部觸頭的溫度信息，觸頭溫度與殼體表面溫度正相關(guān)，不同的觸頭溫度對應(yīng)不同的外殼溫度?；诖?，本文建立了觸頭溫度與殼體最高溫度的函數(shù)關(guān)系，依據(jù)殼體溫度估算GIS觸頭的溫度，從而判斷內(nèi)部是否過熱。將仿真數(shù)據(jù)擬合成S型曲線，如圖6所示。

圖6 觸頭溫度與殼體最高溫度的擬合關(guān)系曲線圖

圖6中，曲線初始斜率逐漸變大，因內(nèi)部SF6溫度較低，熱量吸收充分，殼體每升高單位溫度需更多的內(nèi)部發(fā)熱。隨著SF6受熱飽和，單位觸頭發(fā)熱量可使殼體溫升更高，斜率又會逐漸變小。

圖6中的擬合曲線對應(yīng)的函數(shù)解析式為：

(12)

式中：Tc—觸頭的穩(wěn)態(tài)溫度；Tm—觸頭正上方殼體區(qū)域的最高溫度。

以某252 kV室內(nèi)變電站為例，對A相隔離接地開關(guān)拍攝的紅外熱像上顯示殼體某區(qū)域最高溫度達(dá)到67.3 ℃(環(huán)境溫度22 ℃)，代入式(12)中估算設(shè)備內(nèi)部溫度為115.0 ℃，對照表1，判斷為內(nèi)部嚴(yán)重過熱缺陷。經(jīng)測量，動觸頭溫度為122.6 ℃，與估算值接近，驗(yàn)證了公式的有效性。

4 結(jié)束語

本文建立了簡化的GIS隔離開關(guān)三維仿真模型，對設(shè)備內(nèi)部的熱量傳遞過程進(jìn)行了多物理場耦合仿真計(jì)算與分析，并利用GIS測溫實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測溫試驗(yàn)研究，擬合了發(fā)熱觸頭溫度與殼體最高溫度的函數(shù)映射關(guān)系。研究得到如下結(jié)論：

(1) GIS隔離開關(guān)穩(wěn)態(tài)溫度場計(jì)算結(jié)果表明內(nèi)部存在過熱缺陷時(shí)，GIS殼體表面溫差顯著，殼體最高溫升出現(xiàn)在過熱觸頭正上方位置；

(2) GIS測溫試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的一致性表明本文所建仿真模型的正確性，多物理場耦合仿真能有效模擬GIS設(shè)備的熱量傳遞過程；

(3) 基于仿真計(jì)算及測溫試驗(yàn)，提出依據(jù)殼體溫升估算GIS內(nèi)部觸頭溫升的函數(shù)解析方法，實(shí)測結(jié)果表明：該方法能實(shí)現(xiàn)對GIS設(shè)備內(nèi)部是否存在過熱缺陷的評估。

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