三相共箱GIS母線過熱故障仿真研究

張耀儀

摘 要：為了有效研究GIS母線局部過熱故障對母線氣室外殼表面溫度的影響，本文基于三相共箱式GIS母線結構，采用COMSOL仿真軟件對其進行建模仿真研究。研究結果表明：當GIS流過電流低于0.5kA時，氣室外殼溫差不明顯，但當流過電流1kA及以上時，可以通過氣室外殼溫差檢測GIS氣室內是否存在過熱故障；隨環境溫度的增大，導體溫度、氣室外殼溫度近似線性增加，且環境溫度對外殼的溫差很小。

關鍵詞：三相共箱 GIS母線 過熱故障 仿真 研究

中圖分類號：TM595 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0035-03

隨著氣體絕緣開關設備（Gas Insulated Switchgear， GIS）的廣泛應用，GIS的運行可靠性引起了普遍關注。過去普遍認為GIS無需檢修或檢修周期長，但從近幾年的運行經驗來看，GIS設備內部過熱故障是影響GIS可靠性的重要因素之一[1]。GIS設備一旦發生故障，處理麻煩且周期長，如處理不當，會派生二次故障，加大處理難度[2]，如2014年某電網公司500kV變電站220kV GIS母線接觸面熔斷造成斷線故障并導致三相短路，故障處理前后花費一個半月，經濟損失重大。

采用紅外熱效應進行非接觸式進行電力設備過熱故障診斷是一種在電力系統中廣泛應用的在線檢測技術，但由于紅外在GIS設備中穿透力很弱，而GIS 母線氣室表面里母線導體距離較遠，難以GIS母線氣室表面溫度直接反應母線故障位置溫度信息，導致運維人員不能準確地掌握母線氣室內部的溫度場及其所反映的故障信息。因此，建立三相共箱式GIS母線COMSOL多物理場仿真模型，研究GIS母線局部過熱故障與母線氣室外殼表面溫度的關系，對維護電網安全穩定運行，具有重大意義。

1 GIS溫度場分布仿真模型

GIS內部過熱故障溫度仿真模型包含了電磁場、流場、溫度場等多個物理場。為提高計算準確性，本文采用電磁場和流場的雙向耦合，計算過程中，其每一個網格單元均參與了電磁場、流場、溫度場計算，各網格單元能量傳遞過程如圖1所示。

1.1 電磁場數學模型

GIS設備中發熱損耗屬于低頻渦流損耗問題，發熱主要來源于電流通過導體主回路時產生的焦耳熱，金屬外殼中感應出的渦流損耗。

本模型空氣與SF6氣體比熱Cp、導熱系數k和動力粘度μ均采用常數。對于密度計算，空氣的密度采用理想氣體模型；由于SF6分子間吸引力隨密度增加而顯著增大，采用理想氣體變化規律推導出來的密度參數會有較大誤差，因此本模型采用工程上常用的Beattie-Bridgman公式計算求取。

1.3 溫度輻射數學模型

對于GIS壁面輻射時刻存在并包含兩部分，即GIS內部母線、氣室表面之間輻射與外部環境、氣室外表面之間的輻射，其計算方法如下。

2 252kV GIS數值仿真研究

2.1 仿真模型的建立

根據近年來某電網公司的GIS母線過熱故障，選擇GIS母線盆式絕緣子附近連接處為發熱故障點，以實際GIS設備為原型進行三維建模分析，通過電流1kA，模擬此處電阻400μΩ。

2.2 不同接觸電阻下GIS溫度場分布規律

通過1kA電流時，回路電阻為400μΩ時，GIS母線的溫度場分布情況如下，故障點溫度明顯高于導體其他部位，溫差接近50K，但故障處溫度沿導體的衰減非常快。而針對GIS母線氣室表面，由于過熱點加熱附近SF6氣體向上流動傳熱，加熱了母線上部位置的氣室外殼，此處溫度明顯高于其他部位約2K左右，這與公司發布的GIS設備紅外測溫反措結果一致。

從圖2可以看出，當出現螺絲松動或者接觸不良等情況時，在該處會產生較大的溫升，會燒壞該處螺絲，而故障處溫度沿導體的衰減非常快，內部SF6氣體和外殼溫升的變化非常小。

3 GIS設備內部過熱故障氣室外殼溫度影響因素分析

目前，電力設備紅外測溫均在夜間或早晨無日照情況下進行，因此，在接觸面回路電阻一定情況下，本文主要考慮過熱點發熱功率與設備周圍環境溫度對氣室外殼溫度影響進行計算分析。

3.1 電流對氣室外殼溫度的影響

本文選擇接觸面回路電阻350μΩ，環境溫度25℃，通過0.2kA、0.6kA、1.0kA、1.4kA、1.8kA、2.2kA，此時，GIS母線與母線氣室外殼最高溫度如下圖所示：隨電流增大，發熱點功率迅速增大，導致母線過熱點溫度快速上升。而由于環境因素及SF6流動傳熱的影響，GIS氣室外殼上升緩慢，并且，在溫度低于0.5kA時，氣室外殼溫差并不明顯，但隨著電流的增大，氣室外殼溫差逐漸增大，當通過電流大于1kA時，氣室外殼溫差較為明顯，如圖3所示。

3.2 環境溫度對氣室外殼溫度的影響

本文選擇接觸面回路電阻350μΩ，通過0.2kA，環境溫度5℃、10℃、15℃、20℃、25℃進行計算，研究環境溫度對GIS溫度的影響，計算結果如下圖所示，由于環境溫度通過氣室外殼傳熱的影響，隨環境溫度的增大，導體溫度、氣室外殼溫度逐漸增加，并且發現導體和外殼溫度都近似線性增長，環境溫度對外殼的溫差很小。

4 結語

本文通過三相共箱式GIS母線COMSOL多物理場仿真軟件對其進行建模仿真研究，取得結論如下：在溫度低于0.5kA時，氣室外殼溫差并不明顯，但隨著電流的增大，氣室外殼溫差逐漸增大，當通過電流大于1kA時，氣室外殼溫差較為明顯。隨環境溫度的增大，導體溫度、氣室外殼溫度逐漸增加，并且發現導體和外殼溫度都近似線性增長，環境溫度對外殼的溫差很小。

參考文獻

[1] 文韜，張喬根，郭璨，等.沖擊電壓下SF6棒-板間隙放電極性效應的反轉現象[J].高電壓技術，2015，41（1）：275-281.

[2] 孫國霞，關向雨，金向朝，等.基于多場耦合計算的氣體絕緣開關設備母線接頭過熱性故障分析[J].高電壓技術，2014，40（11）：3445-3451.