基于有限元分析的单相GIS隔离开关温度场仿真研究

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。

［1］ 师晓岩，查 玮，孙 福，等.UHV GIS内部温度场的红外热诊断技术［J］.高电压技术，2007，33（6）：16－20.

［2］ 吴晓文，舒乃秋，李洪涛，等.基于光纤光栅的气体绝缘开关母线温度在线监测系统［J］.电力自动化设备，2013，33（4）：155－160.

［3］ 魏 翔.气体绝缘金属封闭开关柜在线测温系统设计［J］.电工电气，2010（1）：51－54.

［4］ 张良胜，张 杰.红外在线监测系统在封闭开关柜中的应用［J］.电网技术，2008，32（1）：150－153.

［5］ 武胜斌，郑 研，陈志彬.基于红外测温技术的GIS导体温度在线监测的方案［J］.高压电器，2009，45（4）：100－102.

［6］ 李中祥，宋建成.高压隔离开关触头温度在线监测系统的研制［J］.高压电器，2009，45（2）：11－17.

［7］ 陈 衡，侯善敬.电力设备故障红外诊断［M］.北京：中国电力出版社，1999.