基于有限元分析的单相GIS隔离开关温度场仿真研究
2015-07-25赵雪辰
赵雪辰,陈 强
(1.中国电力工程有限公司,北京 100048;2.华北电力大学,北京 102206)
0 引 言
近年来随着电力工业的高速发展,气体绝缘组合电器(GIS)以运行可靠、结构紧凑、安装维护方便等优点,在我国电力系统中得到了广泛应用[1,2]。但同时,其严格密封、内部空间狭小、负荷电流大等特点,导致GIS导体损耗发热问题日益突出,尤其当GIS出现触头接触故障时,随着接触电阻增大,负载电流的流过将产生触头过热现象[3,4]。触头局部过热常会引起绝缘材料老化,设备绝缘水平降低,严重威胁GIS设备安全稳定运行[5-7]。因此,为保障电力设备运行安全,有必要对GIS内导体触头发热状态、温度分布规律、热量散失机理等多方面因素进行准确深入的计算分析。
本文以单相126 kV GIS隔离开关为例,运用有限元分析将温度场计算与流体场计算相结合,建立GIS损耗发热的有限元计算模型。在探讨对流与辐射散热、屏蔽罩、SF6气体浓度、环境温度以及重力等因素对损耗发热计算结果影响的基础上,计算分析了GIS内温度的分布规律。
1 单相GIS隔离开关温度场计算模型
本文以单相GIS隔离开关为研究对象,在进行稳态温度场分析之前,首先作以下假设:
(1)GIS热量传递处于稳态过程。
(2)触头与导体接触良好,忽略触头结构及屏蔽罩倒角对GIS温度场分布的影响,导体温度分布均匀。
(3)GIS设备外壳、导体和屏蔽罩材料的属性参数为常数,SF6采用不可压缩流体模型,不考虑气体的辐射换热。
(4)忽略了风速以及太阳辐射对于温升的影响。
本文以实际126 kV GIS为尺寸原型,所创建的简化几何模型基本结构如图1所示。
图1 单相GIS隔离开关结构图
2 单相GIS隔离开关温度场计算结果分析
2.1 单相GIS隔离开关温度场分布规律
基于以上计算模型,设置导体温度为固定值98℃,外部环境温度为固定值27℃,内部SF6气体工作压力为0.4 MPa;GIS内部由于经过抛光处理,辐射系数为0.05,GIS外部辐射系数设为0.85。GIS内隔离开关温度分布情况如图2(a)、(b)所示。由图2(a)可知,当隔离开关水平放置时,同一截面上温度分布呈现明显的分层现象,总体趋势为中轴两侧左右基本对称,上部温度高于下部。出现这种现象的主要原因在于:内部SF6气体受导体的加热作用,使得距离导体较近的气体高于靠近外壳的气体温度,同时在重力的作用下产生气体热浮力,靠近导体部分的气体向上流动,在流动路径上收到外壳顶部的阻挡,气体被迫分为左右两股。同时,由于隔离开关本身是几何对称结构,因而气体运动左右对称,从而导致温度分布左右基本对称。
GIS外壳温度分布情况如图2(b)所示,可以看出,虽然GIS外壳的热导率较高,但是外壳温度分布并不均匀,温度分布梯度较为明显,总体呈现上高下低,温度差在1℃左右,外壳温度最高点出现在裸露导体的正上方。造成上述温度分布形式的主要原因在于,导体上方气体流速较高,热量主要以辐射与对流的方式进行传递,导体下方气体几乎处于静止状态,热量主要以辐射与热传导的方式传递,而SF6气体的对流换热能力明显优于其热传导能力。此外,由外壳温度最高点出现在裸露导体正上方可以看出,屏蔽罩的存在一定程度上阻碍了导体热量的散失。
图2 单相GIS隔离开关温度分布云图
2.2 GIS导体与外壳温度关系
图3给出了环境温度一定,导体温度连续变化时外壳温度变化过程。曲线中外壳温度数值为外壳温度最高点温度值。计算中设置外部环境温度为固定值27℃;内部SF6气体工作压力为0.3 MPa;GIS内部辐射系数为0.05,GIS外部辐射系数设为0.85。由图3可以看出当环境温度一定时,外壳温度随着导体温度升高而升高,温度上升趋势近似线性关系,导体平均每升高10℃,外壳温度升高近似0.5℃。
2.3 GIS内SF6工作气压对隔离开关温度分布的影响
随着GIS内部气压的增大,SF6气体的密度、热导率、粘性系数等参数也将随之改变,因此,GIS内部气压的变化必然会导致GIS内部温度分布的变化。本文计算了GIS内部气压为0.1 MPa~0.5 MPa时温度的分布情况。计算中设置外部环境温度为固定值27℃,导体温度为固定值98℃;GIS内部辐射系数为0.05,GIS外部辐射系数设为0.85。计算间隔为0.05 MPa。
图3 单相GIS隔离开关导体与外壳温度曲线
通过计算发现改变GIS内部气压,GIS温度场分布规律并不发生变化,温度分布仍然呈现出左右基本对称,上部温度高于下部,外壳温度最高点仍然在裸露导体正上方。然而温度梯度分布发生了变化,尤其GIS外壳温度变化非常明显,其基本规律为随着气压的升高,外壳温度逐渐升高,外壳温度与气体压力近似呈现线性关系。由于本次计算采用导体固定温度值,因此随着气压升高外壳与导体间温度差减小,由此可以得出结论,随着气压升高,SF6气体的导热性能也逐渐升高。
3 结 论
(1)由于重力作用下的热浮力存在,GIS内部气体对流效果明显,只有充分考虑重力因素的影响,才可能较好地模拟实际的传热效果。
(2)对于水平放置的单相GIS设备,气体对流作用使同一圆周截面上温度分布并不均匀,其内部空间温度分布为上半部分温度高于下部、左右基本对称。
(3)GIS隔离开关外壳温度梯度分布明显,温度最高点出现在裸露导体正上方,屏蔽罩的存在改变了内部温度分布,一定程度上阻碍了导体热量散失。
(4)环境温度一定时,外壳温度随着导体温度升高而升高,温度上升趋势近似线性关系,导体平均每升高10℃,外壳温度升高近似0.5℃。此外GIS内部气压对GIS内部热量传递影响显著。
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