陳邦發(fā), 賀 博, 謝志楊, 潘英杰, 楊瑞明

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 佛山供電局, 廣東 佛山 528000; 2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049)

0 引言

作為高壓輸電網(wǎng)的主設(shè)備,GIS的可靠性直接影響著高壓輸、變電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性[1].運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,母線連接處、隔離開關(guān)動(dòng)靜觸頭處及斷路器觸頭部位是容易形成異常過熱點(diǎn)并引發(fā)設(shè)備異常溫升的部位,其中以采取動(dòng)連接的斷路器部位最為常見[2].當(dāng)動(dòng)靜觸頭在接觸圓周處因受力不均勻?qū)е峦S度偏移,接觸壓力變化將引起局部接觸電阻增大,觸頭部位溫度逐漸上升,觸頭表面接觸電阻進(jìn)一步增大,接觸劣化呈現(xiàn)正反饋加速,最終導(dǎo)致異常發(fā)熱故障發(fā)生.因此及時(shí)掌握GIS設(shè)備溫度場(chǎng)分布規(guī)律,建立殼體溫度分布和異常發(fā)熱之間的聯(lián)系,對(duì)于先期發(fā)現(xiàn)故障,指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)維具有重要的工程價(jià)值.

針對(duì)GIS設(shè)備熱流場(chǎng)分布規(guī)律,國(guó)內(nèi)外開展了大量有限元仿真,研究由二維模型單一物理場(chǎng)向三維模型多場(chǎng)耦合演變.近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多物理場(chǎng)耦合的方式,仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確.但是多數(shù)學(xué)者的研究模型較為簡(jiǎn)單,多集中于母線、隔離開關(guān)、絕緣盆子.且對(duì)于模型換流方式的考慮較為簡(jiǎn)單[3-7].以上研究多未考慮渦流損耗、集膚效應(yīng)及GIS斷路器內(nèi)外同時(shí)存在的三種換熱方式.研究都基于整體模型,尚未聚焦于到觸頭觸指結(jié)構(gòu)接觸電阻變化對(duì)于溫度場(chǎng)影響,無法準(zhǔn)確模擬GIS觸頭過熱性故障時(shí)溫度場(chǎng)分布,電氣觸點(diǎn)(母線觸頭、隔離開關(guān)觸頭、斷路器觸頭等)接觸不良而引起的發(fā)熱造成的故障占比極高,其中斷路器觸頭接觸不良又占此類故障的大部分[8],有必要進(jìn)行深入研究.

本文以220kV GIS斷路器為例,綜合集膚效應(yīng)、渦流損耗等熱源形成因素,以及熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等傳熱因素,搭建了GIS斷路器電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)-氣體流場(chǎng)的多物理場(chǎng)耦合模型.提出一種接觸電阻等效法,模型精確至觸頭觸指結(jié)構(gòu),可模擬不同電接觸形態(tài).對(duì)比分析GIS斷路器不同排布方式、同軸度偏移對(duì)斷路器溫度分布的影響,為GIS斷路器溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究提供重要參考價(jià)值.

1 模型建立

本文以220kV GIS斷路器為研究對(duì)象,建立電磁-熱流多場(chǎng)耦合有限元模型.

1.1 GIS斷路器三維模型建立

考慮到在GIS設(shè)備內(nèi)部,相較母線連接部位及隔離開關(guān)部位,斷路器部位由于采用動(dòng)連接方式,在反復(fù)動(dòng)作下更容易出現(xiàn)因電接觸不良而導(dǎo)致的過熱故障.因此本文選擇以斷路器觸指部位為研究對(duì)象,研究其異常發(fā)熱及熱流分布模型.模型主要涉及部件包括:導(dǎo)電桿、動(dòng)觸頭、靜觸頭、屏蔽罩、絕緣母筒、殼體、直管導(dǎo)線、絕緣拉桿.

圖1為斷路器結(jié)構(gòu)圖,圖2為適當(dāng)簡(jiǎn)化后的三維模型圖,從熱場(chǎng)仿真計(jì)算量及影響因素角度綜合考慮,主要對(duì)圓角、倒角,填充微小螺栓孔洞等進(jìn)行了適度簡(jiǎn)化,而可能影響熱場(chǎng)仿真結(jié)果的其余參數(shù)均嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模.

圖1 斷路器結(jié)構(gòu)圖

圖2 斷路器簡(jiǎn)化模型圖

斷路器模型中動(dòng)靜導(dǎo)體、觸頭、殼體等部件采用鋁合金材質(zhì),絕緣母筒采用環(huán)氧樹脂材質(zhì),氣室內(nèi)部填充SF6氣體,表壓0.5 MPa,根據(jù)具體材質(zhì)選用不同的理化參數(shù)如表1所示.

表1 斷路器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料參數(shù)

在觸指部位采用36片導(dǎo)電觸片并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,依據(jù)其導(dǎo)電原理,動(dòng)靜觸頭之間的等效電阻如式(1)所示:

Rc=Rj+Rb+Rm1+Rm2

(1)

式(1)中:Rj為接觸電阻等效電阻;Rb為觸指體電阻;Rm1為動(dòng)觸頭體電阻;Rm2為靜觸頭體電阻.圖3為其觸頭連接處模型等效圖.

圖3 觸頭連接處模型等效圖

本文以自力型觸頭為研究對(duì)象進(jìn)行建模,自力型觸頭依靠自身彈性形變產(chǎn)生的反作用力來實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜觸頭之間的連接.自力型觸頭接觸電阻較小,正常接觸狀態(tài)下每一片觸指接觸電阻一般在100 μΩ以下[9].但由于GIS斷路器通流較大,接觸電阻引起的熱源在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)不可忽略[10].

在仿真模型中每個(gè)觸指與動(dòng)觸頭連接處建立厚度為4.3 mm觸片.該觸片為接觸電阻的等效模型,將接觸點(diǎn)處的接觸電阻發(fā)熱功率加載到此等效模型上進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真,該觸片體積電阻等效為此接觸面的接觸電阻.在溫度場(chǎng)仿真中,通過改變觸片電導(dǎo)率,可實(shí)現(xiàn)模擬接觸電阻的改變,細(xì)化模擬不同運(yùn)行工況.

1.2 三維電磁場(chǎng)計(jì)算模型

當(dāng)GIS施加工頻載流,設(shè)備內(nèi)部將產(chǎn)生交變磁場(chǎng),設(shè)備外殼因電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流,引起渦流損耗.故渦流場(chǎng)由麥克斯韋方程組表述如下[11,12]:

在整個(gè)求解域Ω內(nèi):

(2)

在渦流區(qū)(GIS 設(shè)備外殼)內(nèi):

(3)

GIS設(shè)備主導(dǎo)體總電流密度為:

(4)

單位體積生熱率為:

(5)

接觸電阻的發(fā)熱功率計(jì)算公式為:

Pi=I2Ri

(6)

式(6)中:Pi為接觸電阻發(fā)熱功率;I為通過觸片的電流;Ri為接觸電阻.

1.3 傳熱及換熱模型

當(dāng)GIS斷路器導(dǎo)體加載電流后,部分電磁能將轉(zhuǎn)變?yōu)榻苟鸁?故設(shè)備溫度場(chǎng)分布將隨熱傳遞過程發(fā)生變化.在通流初始階段,GIS斷路器導(dǎo)體溫升速率較快,同時(shí)熱量將由高溫導(dǎo)體傳遞至低溫SF6與外殼,因此斷路器整體溫度升高.由于外殼溫升后與空氣產(chǎn)生溫度差,熱量將以對(duì)流和輻射的方式發(fā)散至空氣,故導(dǎo)體溫升速率逐漸減慢[13].當(dāng)斷路器溫度達(dá)到穩(wěn)定,此時(shí)進(jìn)入熱平衡狀態(tài).

如圖4所示,GIS斷路器中的熱流在熱平衡狀態(tài)下主要有三條路經(jīng)[14,15]:(1)設(shè)備載流后,主導(dǎo)體產(chǎn)生歐姆損耗,外殼因電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗,熱量以熱傳導(dǎo)方式逆溫度梯度經(jīng)固體路徑傳遞至設(shè)備表面;(2)斷路器導(dǎo)體、SF6、外殼、空氣間存在溫度差,故熱量以對(duì)流方式在固體和氣體間傳遞;(3)斷路器溫度高于絕對(duì)零度,熱量以熱輻射方式傳遞,其中導(dǎo)體溫度較高,故輻射能量較大.

圖4 GIS熱傳遞過程示意圖

由于熱源和散熱是決定斷路器溫度場(chǎng)分布的兩大因素,故熱傳遞控制方程由傅里葉微分方程表示:

(7)

式(7)中:T為溫度,qv為熱源強(qiáng)度,ρ為材料密度,k為熱傳導(dǎo)系數(shù),c為比熱.

1.4 邊界條件及仿真步驟

渦流場(chǎng)的計(jì)算中,本模型中的電介質(zhì)位移電流引起的發(fā)熱程度很小,亦不會(huì)對(duì)導(dǎo)體的散熱造成影響,所以導(dǎo)體與外殼之間的泄漏電流可以忽略,導(dǎo)體中電流只沿導(dǎo)體軸向流動(dòng).在導(dǎo)線端面施加頻率為50 Hz,I=3 150 A電流,施加邊界條件,設(shè)置渦流效應(yīng),以得到渦流場(chǎng)仿真結(jié)果.

規(guī)定渦流場(chǎng)邊界條件[16]如下:

(1)假定空氣域外邊界與GIS設(shè)備外殼之間的距離無限大,空氣邊界磁場(chǎng)衰減為零,即:

A|ΓH=0

(8)

(2)ΓB為對(duì)稱邊界,該邊界面上法向分量的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,即:

Ay|ΓB=AZ|ΓB=0

(9)

(3)在導(dǎo)體和空氣域端面設(shè)置磁力線平行邊界,不考慮設(shè)備內(nèi)部電介質(zhì)位移電流及泄漏電流的作用.

渦流場(chǎng)中仿真計(jì)算得到導(dǎo)體功率損耗為298.823 W,外殼功率損耗為15.371 4 W,將二者作為熱源載荷導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算.對(duì)GIS斷路器的熱分析做出如下假設(shè):

(1)僅研究設(shè)備熱傳遞的穩(wěn)定階段,不考慮各部分溫度隨時(shí)間變化的差異;

(2)各個(gè)材料參數(shù)為常數(shù),不考慮因溫度變化導(dǎo)致材料屬性變化生成的迭代過程;

(3)GIS設(shè)備外殼、導(dǎo)體、絕緣筒材料屬性參數(shù)為常數(shù);

(4)考慮重力對(duì)SF6氣體的影響,但不考慮溫度變化導(dǎo)致SF6氣體密度和體積的變化;認(rèn)為外殼和空氣的接觸是整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)唯一的散熱途徑.

本節(jié)采用電磁-流場(chǎng)-熱場(chǎng)耦合的方式研究場(chǎng)域的溫升問題,在仿真計(jì)算時(shí)假設(shè)GIS設(shè)備熱量傳遞處于熱平衡狀態(tài),且氣體與導(dǎo)體之間為無滑移邊界條件.設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃,GIS斷路器主導(dǎo)體、外殼、絕緣筒等部件材料屬性參數(shù)為常數(shù),氣體設(shè)置為層流,設(shè)備外殼表面對(duì)流換熱系數(shù)為6.3 W/(m2·K)不考慮SF6氣體的輻射換熱,重力加速度取g=9.81 m/s2,設(shè)置迭代次數(shù)為1 000.設(shè)置流體材料的性質(zhì)參數(shù)如表2所示.

表2 流體材料的物性參數(shù)

溫度場(chǎng)控制方程的邊界條件要考慮物體邊界與外界之間的能量平衡,根據(jù)GIS溫度場(chǎng)多種換熱方式及控制方程[17],設(shè)置邊界條件說明如下:

(1)設(shè)置氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部流固交界面和空氣域外邊界氣體初始流速為0,即:

vx|Γ1,Γ2=vy|Γ1,Γ2=vz|Γ1,Γ2=0

(10)

式(10)中:vx、vy與vz為流體流速v的x、y、z軸分量.

(2)在空氣域外邊界設(shè)置初始溫度:

T|Γ1=T0

(11)

式(11)中:T0為環(huán)境溫度.

(3)GIS內(nèi)部流體與固體、固體與固體交界面施加面-面輻射換熱邊界,即:

(12)

式(12)中:Fij為角系數(shù);σs為Stefan-Boltzmann常數(shù),取5.67×10-8;εe為表面發(fā)射率;Tt為GIS外殼溫度;Tc為主導(dǎo)體溫度.

(4)在GIS外殼表面施加大空間輻射換熱邊界,即:

(13)

2 熱場(chǎng)仿真

氣體流動(dòng)因約束空間不同產(chǎn)生不同的熱傳導(dǎo)方式,水平放置的觸頭受重力及其他因素作用發(fā)生同軸度偏移導(dǎo)致接觸電阻分布不均勻,以上因素均會(huì)改變GIS溫度場(chǎng)分布.因此,分別探究了GIS不同排布方式以及水平排布時(shí)動(dòng)靜觸頭同軸度偏移對(duì)于溫度場(chǎng)分布的影響.

2.1 仿真模型對(duì)比研究

本文建立的GIS斷路器三維電磁-熱-流耦合模型精確到單根觸指,并引入接觸電阻模型,能夠更準(zhǔn)確計(jì)算溫度場(chǎng)結(jié)果,因此進(jìn)行本文模型與傳統(tǒng)模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比.設(shè)置負(fù)荷電流3 150 A,環(huán)境溫度20 ℃,斷路器橫向擺放,設(shè)置觸片接觸電阻,得到不考慮接觸電阻的傳統(tǒng)模型和考慮接觸電阻的本文模型的靜觸頭溫度分布云圖如圖5所示.

圖5 接觸電阻有無時(shí)靜觸頭溫度分布圖

在渦流場(chǎng)中計(jì)算未考慮接觸電阻的傳統(tǒng)模型的導(dǎo)體功率損耗為227.449 W,外殼功率損耗為15.371 3 W,導(dǎo)體功率損耗較本文模型低71.374 W,導(dǎo)致傳統(tǒng)模型靜觸頭最高溫度要低13.19 ℃.傳統(tǒng)模型觸頭最高溫度分布在觸指中段,溫度分布趨勢(shì)與實(shí)際工況不符[8].由圖5可知,本文建立的考慮接觸電阻的計(jì)算模型能細(xì)化研究單根觸指接觸狀態(tài)改變對(duì)溫度場(chǎng)的影響.

2.2 不同現(xiàn)場(chǎng)排布熱場(chǎng)仿真

在實(shí)際工程中,GIS設(shè)備有水平、豎直兩種排布設(shè)計(jì).由于SF6氣體受熱膨脹上浮以及具有自身重力,斷路器排布方式將影響氣體的流動(dòng)方式,改變熱傳導(dǎo)狀態(tài),進(jìn)而產(chǎn)生不同的溫度分布.為研究擺放形態(tài)對(duì)GIS設(shè)備溫度場(chǎng)的影響,保持其他條件不變,設(shè)置負(fù)荷電流3 150 A,環(huán)境溫度20 ℃,模擬斷路器豎直擺放(動(dòng)端在上)、斷路器豎直擺放(靜端在上)兩種形態(tài).

當(dāng)環(huán)境為20 ℃時(shí),斷路器橫向擺放時(shí)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6、圖7所示.斷路器外殼圓周數(shù)據(jù)點(diǎn)選取如圖8所示,其中中間截面是水平排布的斷路器觸頭最高溫處對(duì)應(yīng)的截面,0°點(diǎn)是中間截面上外殼溫度最低的點(diǎn).由圖6、圖7可知,斷路器溫度沿軸向溫度呈低—高—低對(duì)稱分布,動(dòng)法蘭處溫度最低,為27 ℃左右;觸頭處溫度最高,為62.33 ℃左右;外殼最高溫為32.98 ℃左右.如圖9所示,斷路器中間截面處氣體最高流速為0.166 m/s,且由于熱空氣上浮,氣體流速最大值出現(xiàn)在截面最上方,在截面處SF6的對(duì)流散熱效果較為明顯,因此不可忽略SF6氣體流動(dòng)對(duì)GIS設(shè)備溫度場(chǎng)分布的影響.

圖6 導(dǎo)體溫度場(chǎng)分布圖

圖7 外殼溫度場(chǎng)分布圖

圖8 斷路器外殼圓周數(shù)據(jù)點(diǎn)選取圖

圖9 斷路器中間截面SF6流速矢量圖

當(dāng)斷路器豎直擺放(動(dòng)端在上)時(shí),導(dǎo)體觸頭最高溫度為60.60 ℃,外殼最高溫度為31.34 ℃.由于斷路器內(nèi)部氣體受熱上浮,與水平擺放相比,動(dòng)法蘭溫度更高,外殼的最高溫度不再出現(xiàn)在觸頭對(duì)應(yīng)的位置,而是向上偏移,但受到SF6氣體傳熱性的限制,偏移量較小.仿真結(jié)果如圖10所示.

圖10 豎直擺放(動(dòng)端在上)溫度場(chǎng)分布圖

當(dāng)斷路器豎直放置(靜端在上)時(shí),外殼最高溫度為31.24 ℃,導(dǎo)體最高溫度依然位于觸頭處,為59.46 ℃,但由于內(nèi)部氣體流動(dòng)方向發(fā)生了變化,此時(shí)外殼最高溫度不再位于中部,而是向上偏移,靜端溫度顯著增加.仿真結(jié)果如圖11所示.

圖11 豎直擺放(靜端在上)溫度場(chǎng)分布圖

2.3 同軸度偏移熱場(chǎng)仿真

由于金屬構(gòu)建在外力作用下蠕變,金屬材料在應(yīng)力大小、環(huán)境溫度等因素下應(yīng)力松弛,動(dòng)靜觸頭將發(fā)生同軸度偏移,引起接觸圓周處受力不均勻,進(jìn)而引起觸片接觸電阻局部增大導(dǎo)致異常溫升[18].當(dāng)觸頭接觸電阻阻值相同,相較豎直排布,水平排布溫升更大,且固定約束需承受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自身重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,更易發(fā)生故障,故以水平排布時(shí)的自力型觸頭為例.斷路器動(dòng)靜觸頭通過36片觸指相連形成導(dǎo)電回路,在研究同軸度偏移對(duì)溫度場(chǎng)影響時(shí),將36片觸指整體分為輕微接觸不良、接觸不良、接觸良好、輕微受壓、受壓五部分來模擬實(shí)際存在的偏心故障工況.設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃,忽略光照及風(fēng)的作用[19],分別設(shè)置不同的接觸電阻進(jìn)行仿真分析,建立觸頭仿真模型如圖12所示.不同偏移程度下,溫度場(chǎng)仿真的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置及結(jié)果如表3所示.

表3 不同偏移程度對(duì)溫度場(chǎng)分布影響

圖12 考慮同軸度偏移的觸頭仿真模型

動(dòng)靜觸頭發(fā)生偏心故障后,圓周處接觸壓力不再相同,偏移程度越大,接觸壓力差值也就越大.運(yùn)行工況下水平擺放的斷路器,觸指連接處由于常年受到重力影響,容易形成下端受壓、上端接觸不良的不正常接觸狀態(tài).分別設(shè)置動(dòng)靜觸頭輕度偏心、中度偏心、重度偏心,來研究不同偏移程度的影響.在接觸允許的范圍內(nèi),接觸壓力越大,接觸電阻越小[20].渦流場(chǎng)仿真計(jì)算中觸指電流密度分布并不均勻,電流密度最小值出現(xiàn)在接觸不良處,為1.548 9×105A/m2,最大值出現(xiàn)在受壓觸片處,為2.346 3×106A/m2.圖13為同軸度輕度、中度以及重度偏移時(shí),觸頭溫度的分布圖.由圖13可知,隨著偏移程度的增大,觸頭溫度顯著上升,溫差逐漸增大.受壓觸片溫度更高,容易形成局部過熱點(diǎn).

圖13 同軸度不同偏移程度的溫度場(chǎng)分布

3 仿真結(jié)果分析

基于以上仿真結(jié)果,本章將對(duì)排布方式、同軸度偏移引起異常溫升的規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行深入分析.

3.1 排布方式對(duì)異常發(fā)熱影響

在斷路器外殼上選取如圖8所示的中間截面,以水平擺放圓周溫度最低點(diǎn)為0 °起始點(diǎn),順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周,以旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo),以溫度為縱坐標(biāo),得到水平擺放不同截面外殼溫度如圖14(a)所示.得到水平擺放、豎直擺放(動(dòng)端在上)、豎直擺放(靜端在上)三種擺放形態(tài)圓周溫度分布規(guī)律如圖14(b)所示.

圖14 不同排布方式下外殼溫度分布規(guī)律圖

由圖14可知,水平擺放時(shí)沿GIS外殼圓周溫差最大,而豎直排布時(shí)溫度變分布較均勻.當(dāng)斷路器水平擺放時(shí),SF6氣體受熱膨脹上浮,所以外殼圓周溫度呈現(xiàn)上高下低、左右基本對(duì)稱的分布規(guī)律,溫升和溫差都較大;而當(dāng)斷路器豎直擺放時(shí),氣體流動(dòng)方向改變,圓周溫度分布趨于均勻,幾乎沒有溫差,整體溫度偏低.

3.2 接觸電阻對(duì)異常發(fā)熱影響

為探究不同排布方式下接觸電阻對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,使接觸電阻從9 μΩ增長(zhǎng)至69 μΩ.如圖15所示,觸頭最高溫度隨之線性上升,而斷路器橫放與豎放時(shí)的觸頭溫升之差也隨接觸電阻的增大而增大.接觸電阻每增加10 μΩ,觸頭最高溫度上升約20 ℃.相同接觸電阻時(shí),斷路器水平排布時(shí)觸頭溫升最高,靜法蘭在上的豎直排布方式觸頭溫升最低.因此斷路器水平排布時(shí)更容易出現(xiàn)故障.

圖15 不同排布方式下接觸電阻對(duì)觸頭最高溫度的影響

如圖16所示,當(dāng)熱能以對(duì)流和輻射的形式進(jìn)一步傳遞至設(shè)備殼體,外殼溫升隨接觸電阻增大而增大.如圖17所示,SF6氣體受熱上浮,而斷路器水平排布時(shí)氣體對(duì)流空間相對(duì)豎直排布時(shí)有限,故熱量積聚于觸頭上方殼體處,因此外殼橫、豎排布方式下的最高溫溫差隨外殼溫升逐漸加大.

圖16 不同排布方式下接觸電阻對(duì)外殼最高溫度的影響

斷路器水平和豎直兩類不同排布方式,相同接觸電阻條件下:接觸電阻小于49 μΩ時(shí),斷路器排布方式對(duì)觸頭和外殼溫度影響較小.接觸電阻大于49 μΩ時(shí),水平排布方式下對(duì)流空間有限,觸頭和外殼溫升明顯高于豎直排布方式.

設(shè)置觸片所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn),斷路器軸線為一維坐標(biāo)軸,方向由靜法蘭指向動(dòng)法蘭,如圖18所示.斷路器豎直放置時(shí),隨著接觸電阻從9 μΩ增長(zhǎng)至69 μΩ,SF6氣體溫度上升,對(duì)流效果變強(qiáng),故外殼最高溫度點(diǎn)從觸頭處逐漸向法蘭偏移,即沿?cái)嗦菲鬏S線向氣體重力加速度反方向移動(dòng),如圖19所示.

圖18 斷路器一維坐標(biāo)示意圖

圖19 最高溫度點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)距離

3.3 同軸度對(duì)異常發(fā)熱的影響

水平排布的斷路器,當(dāng)觸頭發(fā)生偏心故障時(shí),觸指接觸壓力不等,接觸電阻值分布不均勻,故電流集中于少數(shù)觸指處.如圖20所示,偏移程度越大,觸片所受壓力越大,導(dǎo)體局部溫升越高,在同一截面圓周內(nèi)溫差越大.

圖20 偏移程度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

發(fā)生同軸度偏移時(shí),觸頭和外殼溫度均較正常狀態(tài)下出現(xiàn)明顯的升高.選取不同偏移程度時(shí)中間截面180 °點(diǎn)的觸頭及斷路器外殼溫度.中度偏移與輕度偏移時(shí)溫度作差,重度偏移與中度偏移之間溫度作差.觸頭溫差分別為50.52 ℃和111.05 ℃,外殼溫差分別為11.27 ℃和55.87 ℃.偏移程度的劣化,對(duì)斷路器內(nèi)部觸頭溫升影響更大.在水平排布時(shí),斷路器下部觸片受壓,溫度更高,但是熱SF6氣體上浮與上部外殼對(duì)流換熱,導(dǎo)致中間截面正上方點(diǎn)的外殼溫升最高,此點(diǎn)為GIS斷路器水平排布時(shí),最佳外殼溫升監(jiān)測(cè)點(diǎn).

4 結(jié)論

斷路器在不同的運(yùn)行工況下溫度分布隨之變化,而觸頭溫升是影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素.本文建立的GIS斷路器電磁-熱-流耦合模型綜合考慮的多種溫升影響因素,為不同電壓等級(jí)的GIS斷路器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供參考.由不同因素影響斷路器溫度的分析結(jié)果可知:

(1) 當(dāng)SF6熱氣上浮,GIS斷路器橫、豎擺放形態(tài)均呈現(xiàn)出上高下低的溫度分布趨勢(shì).水平擺放時(shí),溫度基本呈左右對(duì)稱分布,沿軸向呈現(xiàn)出低—高—低的變化趨勢(shì),沿殼體圓周呈現(xiàn)上高下低的變化趨勢(shì);當(dāng)豎直擺放時(shí)最高溫度沿軸向向上偏移,但受SF6氣體傳熱限制,最高溫度僅偏移至中上方.

(2) GIS斷路器水平排布時(shí),在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),觸頭處溫度最高,為62.33 ℃;外殼最高溫為32.98 ℃.

(3) GIS斷路器豎直排布時(shí),接觸電阻增大,觸頭溫度隨之升高,SF6對(duì)流速度增大,外殼最高溫度點(diǎn)位置沿?cái)嗦菲鬏S線向氣體重力加速度反方向移動(dòng).

(4) 水平排布的GIS斷路器發(fā)生同軸度偏移時(shí),受壓觸指溫升最高,但是外殼溫度最高點(diǎn)是中間截面正上方,為GIS設(shè)備溫升監(jiān)測(cè)提供參考.