三相共箱GIS母线过热故障仿真研究

张耀仪

摘 要：为了有效研究GIS母线局部过热故障对母线气室外壳表面温度的影响，本文基于三相共箱式GIS母線结构，采用COMSOL仿真软件对其进行建模仿真研究。研究结果表明：当GIS流过电流低于0.5kA时，气室外壳温差不明显，但当流过电流1kA及以上时，可以通过气室外壳温差检测GIS气室内是否存在过热故障；随环境温度的增大，导体温度、气室外壳温度近似线性增加，且环境温度对外壳的温差很小。

关键词：三相共箱 GIS母线 过热故障 仿真 研究

中图分类号：TM595 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（b）-0035-03

随着气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear， GIS）的广泛应用，GIS的运行可靠性引起了普遍关注。过去普遍认为GIS无需检修或检修周期长，但从近几年的运行经验来看，GIS设备内部过热故障是影响GIS可靠性的重要因素之一[1]。GIS设备一旦发生故障，处理麻烦且周期长，如处理不当，会派生二次故障，加大处理难度[2]，如2014年某电网公司500kV变电站220kV GIS母线接触面熔断造成断线故障并导致三相短路，故障处理前后花费一个半月，经济损失重大。

采用红外热效应进行非接触式进行电力设备过热故障诊断是一种在电力系统中广泛应用的在线检测技术，但由于红外在GIS设备中穿透力很弱，而GIS 母线气室表面里母线导体距离较远，难以GIS母线气室表面温度直接反应母线故障位置温度信息，导致运维人员不能准确地掌握母线气室内部的温度场及其所反映的故障信息。因此，建立三相共箱式GIS母线COMSOL多物理场仿真模型，研究GIS母线局部过热故障与母线气室外壳表面温度的关系，对维护电网安全稳定运行，具有重大意义。

1 GIS温度场分布仿真模型

GIS内部过热故障温度仿真模型包含了电磁场、流场、温度场等多个物理场。为提高计算准确性，本文采用电磁场和流场的双向耦合，计算过程中，其每一个网格单元均参与了电磁场、流场、温度场计算，各网格单元能量传递过程如图1所示。

1.1 电磁场数学模型

GIS设备中发热损耗属于低频涡流损耗问题，发热主要来源于电流通过导体主回路时产生的焦耳热，金属外壳中感应出的涡流损耗。

本模型空气与SF6气体比热Cp、导热系数k和动力粘度μ均采用常数。对于密度计算，空气的密度采用理想气体模型；由于SF6分子间吸引力随密度增加而显著增大，采用理想气体变化规律推导出来的密度参数会有较大误差，因此本模型采用工程上常用的Beattie-Bridgman公式计算求取。

1.3 温度辐射数学模型

对于GIS壁面辐射时刻存在并包含两部分，即GIS内部母线、气室表面之间辐射与外部环境、气室外表面之间的辐射，其计算方法如下。

2 252kV GIS数值仿真研究

2.1 仿真模型的建立

根据近年来某电网公司的GIS母线过热故障，选择GIS母线盆式绝缘子附近连接处为发热故障点，以实际GIS设备为原型进行三维建模分析，通过电流1kA，模拟此处电阻400μΩ。

2.2 不同接触电阻下GIS温度场分布规律

通过1kA电流时，回路电阻为400μΩ时，GIS母线的温度场分布情况如下，故障点温度明显高于导体其他部位，温差接近50K，但故障处温度沿导体的衰减非常快。而针对GIS母线气室表面，由于过热点加热附近SF6气体向上流动传热，加热了母线上部位置的气室外壳，此处温度明显高于其他部位约2K左右，这与公司发布的GIS设备红外测温反措结果一致。

从图2可以看出，当出现螺丝松动或者接触不良等情况时，在该处会产生较大的温升，会烧坏该处螺丝，而故障处温度沿导体的衰减非常快，内部SF6气体和外壳温升的变化非常小。

3 GIS设备内部过热故障气室外壳温度影响因素分析

目前，电力设备红外测温均在夜间或早晨无日照情况下进行，因此，在接触面回路电阻一定情况下，本文主要考虑过热点发热功率与设备周围环境温度对气室外壳温度影响进行计算分析。

3.1 电流对气室外壳温度的影响

本文选择接触面回路电阻350μΩ，环境温度25℃，通过0.2kA、0.6kA、1.0kA、1.4kA、1.8kA、2.2kA，此时，GIS母线与母线气室外壳最高温度如下图所示：随电流增大，发热点功率迅速增大，导致母线过热点温度快速上升。而由于环境因素及SF6流动传热的影响，GIS气室外壳上升缓慢，并且，在温度低于0.5kA时，气室外壳温差并不明显，但随着电流的增大，气室外壳温差逐渐增大，当通过电流大于1kA时，气室外壳温差较为明显，如图3所示。

3.2 环境温度对气室外壳温度的影响

本文选择接触面回路电阻350μΩ，通过0.2kA，环境温度5℃、10℃、15℃、20℃、25℃进行计算，研究环境温度对GIS温度的影响，计算结果如下图所示，由于环境温度通过气室外壳传热的影响，随环境温度的增大，导体温度、气室外壳温度逐渐增加，并且发现导体和外壳温度都近似线性增长，环境温度对外壳的温差很小。

4 结语

本文通过三相共箱式GIS母线COMSOL多物理场仿真软件对其进行建模仿真研究，取得结论如下：在温度低于0.5kA时，气室外壳温差并不明显，但随着电流的增大，气室外壳温差逐渐增大，当通过电流大于1kA时，气室外壳温差较为明显。随环境温度的增大，导体温度、气室外壳温度逐渐增加，并且发现导体和外壳温度都近似线性增长，环境温度对外壳的温差很小。

参考文献

[1] 文韬，张乔根，郭璨，等.冲击电压下SF6棒-板间隙放电极性效应的反转现象[J].高电压技术，2015，41（1）：275-281.

[2] 孙国霞，关向雨，金向朝，等.基于多场耦合计算的气体绝缘开关设备母线接头过热性故障分析[J].高电压技术，2014，40（11）：3445-3451.