发热缺陷下G IS内部温度分布数值分析

杨明昆，马宏明，何顺，彭兆裕，邱鹏锋，程志万

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217）

0前言

由于GIS设备具有占地面积小、运行可靠、设备检修维护周期长等优点，近年来在电力系统各电压等级中得到大力应用和推广。随着GIS设备数量的不断增多以及运行年限的日益增长，各类缺陷逐渐增多，主要表现为发热型缺陷、放电型缺陷和机械型缺陷。其中发热型缺陷是GIS设备的主要缺陷，具体原因主要包括导电回路接触不良、绝缘整体受潮和老化等[1]。

目前对于GIS设备的带电检测手段主要有局放检测和红外测温两种手段。其中因红外测温技术具有不停电、不接触、不解体、不取样等一系列优点，已广泛应用在电力系统中；其次红外测温技术不断成熟，红外测温仪的测量精确度及图像分辨率逐渐能达到精确测温的要求，因此通过红外测温技术已经成为分析诊断GIS设备热缺陷的一种重要手段[2-3]。

1研究现状

GIS设备的发热缺陷主要分为内部热缺陷和外部热缺陷两类。外部热缺陷发热特征相对比较明显，比较容易被直观的检测到。而对于内部发热缺陷，因GIS设备的封闭性和传热的复杂性，通过测量GIS外壳的温度来评估GIS导体的温度具有较大难度。实际运行GIS 设备所处环境复杂，其温度分布受到内部因素和外部因素的共同影响。内部因素主要包括导体主回路产生的焦耳热，金属外壳中感应的涡流损耗以及导体、外壳材料和SF6气体传热能力。外部因素主要包括光照、风速、环境温度等气候条件。因此GIS的发热是多种因素共同影响下的复杂问题[4]。

为探究GIS外壳温度分布同GIS内部导体热状态的关系，华北电力大学、武汉大学、南方电网科学研究院等研究机构的研究者从GIS内部的温度经辐射、传导、对流后的分布出发进行了试验和仿真研究[5-8]。

本文通过使用数值分析的方法，主要针对GIS母线存在内部导体发热故障时的情况进行温度场仿真分析。分别选取水平放置的220 kV单相母线和220 kV 三相共箱母线导体作为模型，对导体存在发热缺陷的工况进行二维温度场分析，得到了不同工况下GIS壳体温度的一些分布规律。

2 GIS内部温度场数值分析

2.1仿真模型的建立

1）模型的建立及假设

为探究GIS壳体的温度分布，本文对GIS母线段进行二维建模。选取GIS及其壳体外的空气域作为计算域，计算域如图1所示。

图1 ANSYS二维母线模型

对其传热模型进行如下假设：

a.GIS外表面与空气自然对流传热；

b.环形空腔内的SF6气体因受到内外壁面温差及重力场相互作用而引起封闭腔内的对流传热，本文中不考虑辐射传热的作用；

c.流体性质满足Boussinesq 假设，且GIS内气体视为SF6气体的单一组分。

d.导体内温度均匀分布。

e.选取包含GIS的一定空间空气域作为计算域，将空气域边界温度场设为恒定来模拟无风、无光照的环境温度。

2）仿真计算过程中应用的计算方程

SF6气体及空气等适用的流体控制方程如下[9-13]：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

固体传热控制方程：

式中ρ表示相应气体或固体材料的密度；Cp表示相应气体或固体材料的比热容；K 表示相应气体或固体材料的导热系数；u表示速度矢量；p表示气体压强；i表示气体动力粘度；g表示重力加速度；Δρ表示气体热膨胀引起的密度差；I表示单位矩阵；Qh表示导体中损耗的体积热源。

3）求解计算时需要适用的边界条件

传热的边界条件可分为三类，本文中使用的是第一类边界条件，即恒定温度的边界条件。

第一类边界条件（定温度边界条件）

导热微分方程和相应的边界条件即可构成求解超导带材试品在进行测试时的热场方程。

2.2物性参数的设置

部分物性参数的设置如表1所示：

表1物性参数设置表

导体的热导率取209W/(m.K)。

2.3网格的划分

本文使用ANSYS中的Fluent 流场求解器对GIS的温度分布进行有限元分析计算。在ANSYS中构建所需求解的二维几何模型后，将几何模型导入划分网格模块进行合理的网格划分。网格图像如图2所示。

图2 ANSYS网格划分图

如图3 所示，为保证界面处的计算中正确性，界面处的网格需相互对齐。

图3界面处网格划分图

使用Fluent 求解器时，模型设置采用二维稳态模型，并设置Y方向的重力加速度来模拟重力对流场的作用。

2.4仿真数据分析

2.4.1单相母线模型的温度分布

表2 220 kV单相GIS母线模型数值计算尺寸参数

当设置环境温度为27℃（300 K），导体温度为53℃（326 K）时，GIS温度分布及GIS的气流流动情况如图4和图5所示。

图4求解域温度分布图

图5 GIS内SF6速度分布图

外壳温度分布如图6所示。其最高温为306 K（33℃），温差为2 K。外壳温度呈现上部温度高于下部温度的分布趋势。

图6外壳温度分布

保持环境温度为（27℃）不变，随着导体温度上升，外壳温度的变化如表3所示。

如图7所示，在环境温度一定的情况下，且外界无风也无光照的情况下，外壳的最高温度和外壳的温差随着导体温度的上升而上升，且变化规律近似呈线性增长。且在此假设模型的计算下，外壳温差为2 K 时，GIS 母线导体的温度为60度。从仿真的角度符合了南网提出的GIS温差超过2 K 时应关注该GIS的状态的要求。

图7外壳温度随导体温度变化图像

表3外壳温度随导体温度变化表

2.4.2三相导体温度相同条件下的温度分布

表4 220 kV三相共箱GIS母线模型数值计算尺寸参数

当设置环境温度为27℃（300 K），导体温度为50℃（323 K）时，GIS温度分布及GIS的气流流动情况如图8和图9所示。

图8求解域温度分布

图9 GIS内SF6速度分布图

外壳温度分布如图10所示。其最高温为316.9 K（43.9℃），温差为3 K。外壳温度也呈现上部温度高于下部温度的分布趋势，且呈现左右对称分布的特征。

图10外壳温度分布

保持环境温度为（27℃）不变，随着导体温度上升，外壳温度的变化如表5所示。

由图11可知，在环境温度一定的情况下，且外界无风也无光照的情况下，外壳的最高温度和外壳的温差随着导体温度的上升而上升，其变化规律近似呈线性增长。在此假设模型的计算下，三相导体均为50℃时，GIS母线导体的外壳的温差为3 度。相比较单相GIS 母线而言，在导体温度相同的情况下，GIS外壳的温升和温差均较大。

表5三相共箱GIS三相导体温度同时变化时外壳温度变化情况表

图11三相GIS导体温度同时变化时外壳温度变化情况图

2.4.3三相共箱母线模型三相导体温度不均衡条件下温度分布

当三相共箱母线模型三相导体的温度分布不均衡时，探究其温度分布如下。

当A 相导体发生故障导致导体温度上升的情景下，设置A 相导体温度为100℃，B、C相导体为50℃。环境温度设为27℃（300 K）。GIS温度分布、GIS的气流流动情况及GIS外壳温度分布如图12、图13和图14所示。

图12计算域内温度分布图

图13 GIS内SF6流速分布

从温度分布看，A 相故障导致A 相导体温升时，GIS内部的温度分布基本对称。从外壳温度分布看，外壳的最高温向导体A 侧有一定的偏移，但基本保持左右对称。外壳的最高温度，相比于三相都为50℃时的正常运行工况，其外壳最高温度63.3℃升高了19.4℃，外壳温差12.4℃相比正常工况提升了9.4℃。

图14外壳温度分布

B相导体发生发热故障的情况同A 相故障时情况类似，是A 相发生故障时的对称情况。

当C相导体发生故障导致导体温度上升的情景下，设置C相导体温度为100℃，A、B相导体为50℃。环境温度设为27℃（300 K）。GIS温度分布、GIS的气流流动情况及GIS外壳温度分布如图15、图16和图17所示。

图15计算域温度分布

图16 GIS内SF6流速分布

从温度分布看，C相故障导致C 相导体温升时，GIS内部及外壳的温度分布基本对称。外壳的最高温度，相比于三相都为50℃时的正常运行工况，其外壳最高温度59℃升高了15.1℃，外壳温差5.1℃相比正常工况提升了2.1℃，但相比于A、B相故障的情况外壳温差降低了7℃左右。

图17外壳温度分布

从以上结果可以得出这样的结论，通过GIS外壳反映GIS导体内部运行状况时，不仅要关注GIS外壳的温差，还要关注GIS外壳相对于环境温度的温升。

2.4.4环境温度对GIS外壳温度分布的影响

外界环境温度的变化对于GIS外壳的温度分布也会造成影响。固定单相GIS导体的温度为53℃，改变环境温度的设置，得到如表6所示数据。

表6单相GIS导体外壳温度分布随环境温度变化情况表

图18单相GIS导体外壳温度分布随环境温度变化情况曲线

由图18可知，GIS导体温度一定时，随着环境温度增加，GIS外壳的最高温度呈线性增加，外壳的温差呈线性递减的趋势。此模型下，环境温度每上升10℃，外壳最高温增加约7℃，外壳温差减小约0.5℃。故在对GIS外壳的温升和外壳温差进行历史数据比较时，环境温度也是不可忽略的重要因素[14-15]。

3结束语

1）GIS外壳温度受到内部因素和外部因素的影响。本文主要考虑内部SF6气体和外部空气对流换热的综合影响下，GIS外壳的温度分布规律。对于母线导体水平放置的GIS气室，对于单相母线和三相共箱母线其外壳温度分布主要呈现上部壳体温度高于下部壳体温度的特点。且在无风和无光照等理想条件下，GIS壳体温度分布基本呈对称分布。

2）在环境温度一定，且外界无风也无光照的情况下，外壳的最高温度和外壳的温差随着导体温度的上升而上升。

3）水平放置的三相共箱式GIS，当导体故障发热导致三相导体温度不平衡时，GIS外壳的温度分布基本对称。最高温度依然出现在GIS外壳顶端。仅有一相导体发热且发热温度一定的情况下，GIS内位于上部的导体发热导致的GIS外壳温升更高。

4）GIS导体温度一定时，随着环境温度增加，GIS外壳的最高温度呈线性增加，外壳的温差呈线性递减的趋势。在对GIS外壳的温升和外壳温差进行历史数据比较时，环境温度等外部因素也是不可忽略的重要因素。