基于有限元法的500kV GIL温度场建模及研究

陈静 王典浪 皮天满

摘要：为模拟气体绝缘线路（Gas Insulated Transmission Line， GIL）温度场分布，首先建立了GIL几何模型，之后推导了GIL温度场控制方程。最后，通过改变电流研究了不同工况下的GIL温度分布。仿真结果表明，额定工况下GIL各相之间的相互作用关系微弱，其径向温度自上而下逐渐衰减，GIL温度与负荷电流呈正比关系。

Abstract： To simulate the temperature field distribution of the Gas Insulated Transmission Line （GIL）， the GIL geometric model is firstly established， and then the GIL temperature field control equation is derived. Finally， the GIL temperature distribution under different working conditions is studied by changing the current. The simulation results show that the interaction relationship between the phases of the GIL is weak under rated conditions， and the radial temperature gradually decreases from top to bottom， and the GIL temperature is proportional to the load current.

关键词：GIL;有限元法;温度场;COMSOL

Key words： GIL;finite element method;temperature field;COMSOL

中图分类号：TM75                                       文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2020）28-0238-02

0  引言

气体绝缘输电线路（Gas Insulated Transmission Line，GIL）因其在电能输送方面的显著优势，受到了国内外的广泛关注[1]。中国矿业大学[2]，西安交通大学[3]以及西南交通大学[4]的研究团队分别针对不同电压等级的GIL基于多场耦合理论进行了建模，并开展了各自的研究工作。

通入电流后，GIL导体及其外壳热损耗将改变其温度分布情况，建立适用温度场模型对模拟GIL温度分布及运行状态意义重大。目前学界针对GIL的过热故障机理尚未完全掌握，亟需引入多场耦合方法针对GIL温度场进行求解研究，以丰富GIL理论分析及数值模拟手段。

本文基于COMSOL软件建立了500kV GIL温度场模型，在额定工况进行了仿真验证。并通过改变负荷电流，针对4种典型工况下的GIL温度展开了研究。

1  GIL温度场建模

1.1 GIL结构概述

500kV GIL管母总长度最长单根最长为12m，最大质量约1t，主要包含外部空气、导体、外壳以及SF6绝缘气体。GIL外壳与导体构成同轴结构，壳体内部填充SF6作为绝缘气体，通过外壳与外部空气隔绝，其径向几何结构示意图如图1所示。

1.2 GIL仿真参数设置

文章使用文献[3]中的GIL参数作为研究对象，仿真分析具体数值设置如表1所示。

COMSOL软件集成了大量材料参数供用户直接调用。补充相对磁导率等参数后，即可满足后续的计算需求。计算过程中补充的材料参数如表1所示。

1.3 温度场控制方程

气体密度、动力黏度、导热系数温度的关在温度改变后将发生变化，其变化过程描述详见文献[2]。在此基础上，GIL热传导、热对流及热辐射方式下的热量交换可分别使用公式（1）-（3）进行描述：

（1）

（2）

（3）

式中ρT、λT及ηT分别表示T温度下的材料密度、导热系数及动力黏度，Cp、Qf分别为材料的比热容及表面发射系数，Q表示材料热损耗，v表示气体流速，δ、E分别为斯特藩-玻尔兹曼常数以及广义源项，Sf为辐射接触面积，Tc、Tt分别表示导体及壳体温度。

2  仿真分析

2.1 额定工况下GIL有限元模型

2.1.1 磁场分布

额定工况下的GIL磁通量密度如图2所示。可见，GIL外部空气域中的磁通密度已发生大幅衰减，由磁场诱发的各相GIL之间相互作用十分微小，可以忽略不计。

2.1.2 气体流速与温度分布

图3、图4分别为额定工况下GIL的径向气体流速与温度分布。

如图所示，负载电流的加入引起SF6温度分布改变，高温气体趋于向上流动。当气体与外壳发生热量交换后，其温度逐渐降低并紧贴外壳向下流动。

气体流过导体后温度快速上升，导体上方空间的气体温度明显高于下方空间，温度场与流场分布情况相吻合。此外，换热过程中发生的热量损耗使得气体温度逐步下降，最终导致壳体温度由上到下逐步衰减。

2.2 不同负荷电流下的GIL温度分布

为模拟不同工况下的GIL温度分布情况，本文选取了四种不同负荷电流分别进行了仿真分析，对应的GIL温度数值如表2。

可见，GIL温度随温度升高逐渐增大，呈现出正比例关系。造成这一结果的原因在于随着负荷电流的逐步增大，GIL导体电流密度显著增大，其导体与外壳的热损耗计算结果进一步升高，并最终改变了GIL的温度场分布情况。

3  结论

针对500kV GIL，本文基于多物理场相互作用关系，使用COMSOL软件建立了GIL温度场有限元模型，并针对其温度分布展开了研究。主要结论如下：

①受外壳屏蔽作用的影响，额定工况下GIL外部空气域的磁通密度较之于导体周围空间已大幅下降，各相之间的磁场相互作用关系及其微弱，在正常运行条件下可以忽略不计。

②通入电流后，GIL热损耗导致导体及外壳温度升高，进而改变了其内部绝缘气体的温度分布。导体附近的SF6气体受热后向上流动，最终导致GIL上部空间的整体温度分布情况明显高于下部空间。

③增大的负荷电流加剧了GIL的热损耗，进而使得其各部分的温度较之前结果显著增大。同时，由于升温后的绝缘气体仍呈现出向上流动的趋势，大量高温气体汇集GIL上部空间，最终导致了GIL各部分温度上高下低的分布結果。

参考文献：

[1]肖登明，阎究敦.气体绝缘输电线路（GIL）的应用及发展[J].高电压技术，2017，43（3）：699-707.

[2]乔宇娇，唐泽华，等.不同环境因素下GIL温度场分布特性研究[J].电力工程技术，2020，39（03）：136-143，150.

[3]徐亮，张高爽，等.特高压管廊GIL热特性的数值模拟[J].哈尔滨工业大学学报，2018，50（7）：177-184.

[4]周利军，张讥培，等.环境因素影响下GIL温升特性的仿真计算分析[J].电力自动化设备，2019，39（01）：211-218.

[5]宋超然.高压交流GIL多物理场耦合分析及在线监测系统设计[D].中国矿业大学，2019.

作者简介：陈静（1987-），男，贵州清镇人，学士，工程师，研究方向为变电一次设备检修维护及电气试验;王典浪（1986-），男，四川达州人，学士，高级工程师，研究方向为变电一次设备检修维护及电气试验;皮天满（1986-），男，贵州遵义人，学士，工程师，研究方向为变电一次设备检修维护及电气试验。