基于多場耦合模型的GIS斷路器溫度場仿真分析

陳邦發, 賀 博, 謝志楊, 潘英杰, 楊瑞明

(1.廣東電網有限責任公司 佛山供電局, 廣東 佛山 528000; 2.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室, 陜西 西安 710049)

0 引言

作為高壓輸電網的主設備,GIS的可靠性直接影響著高壓輸、變電系統的整體穩定性[1].運行數據表明,母線連接處、隔離開關動靜觸頭處及斷路器觸頭部位是容易形成異常過熱點并引發設備異常溫升的部位,其中以采取動連接的斷路器部位最為常見[2].當動靜觸頭在接觸圓周處因受力不均勻導致同軸度偏移,接觸壓力變化將引起局部接觸電阻增大,觸頭部位溫度逐漸上升,觸頭表面接觸電阻進一步增大,接觸劣化呈現正反饋加速,最終導致異常發熱故障發生.因此及時掌握GIS設備溫度場分布規律,建立殼體溫度分布和異常發熱之間的聯系,對于先期發現故障,指導設備運維具有重要的工程價值.

針對GIS設備熱流場分布規律,國內外開展了大量有限元仿真,研究由二維模型單一物理場向三維模型多場耦合演變.近年來,國內外學者采用多物理場耦合的方式,仿真結果更加準確.但是多數學者的研究模型較為簡單,多集中于母線、隔離開關、絕緣盆子.且對于模型換流方式的考慮較為簡單[3-7].以上研究多未考慮渦流損耗、集膚效應及GIS斷路器內外同時存在的三種換熱方式.研究都基于整體模型,尚未聚焦于到觸頭觸指結構接觸電阻變化對于溫度場影響,無法準確模擬GIS觸頭過熱性故障時溫度場分布,電氣觸點(母線觸頭、隔離開關觸頭、斷路器觸頭等)接觸不良而引起的發熱造成的故障占比極高,其中斷路器觸頭接觸不良又占此類故障的大部分[8],有必要進行深入研究.

本文以220kV GIS斷路器為例,綜合集膚效應、渦流損耗等熱源形成因素,以及熱輻射、熱傳導、熱對流等傳熱因素,搭建了GIS斷路器電磁場-溫度場-氣體流場的多物理場耦合模型.提出一種接觸電阻等效法,模型精確至觸頭觸指結構,可模擬不同電接觸形態.對比分析GIS斷路器不同排布方式、同軸度偏移對斷路器溫度分布的影響,為GIS斷路器溫度場分布規律研究提供重要參考價值.

1 模型建立

本文以220kV GIS斷路器為研究對象,建立電磁-熱流多場耦合有限元模型.

1.1 GIS斷路器三維模型建立

考慮到在GIS設備內部,相較母線連接部位及隔離開關部位,斷路器部位由于采用動連接方式,在反復動作下更容易出現因電接觸不良而導致的過熱故障.因此本文選擇以斷路器觸指部位為研究對象,研究其異常發熱及熱流分布模型.模型主要涉及部件包括:導電桿、動觸頭、靜觸頭、屏蔽罩、絕緣母筒、殼體、直管導線、絕緣拉桿.

圖1為斷路器結構圖,圖2為適當簡化后的三維模型圖,從熱場仿真計算量及影響因素角度綜合考慮,主要對圓角、倒角,填充微小螺栓孔洞等進行了適度簡化,而可能影響熱場仿真結果的其余參數均嚴格按照實際尺寸進行建模.

圖1 斷路器結構圖

圖2 斷路器簡化模型圖

斷路器模型中動靜導體、觸頭、殼體等部件采用鋁合金材質,絕緣母筒采用環氧樹脂材質,氣室內部填充SF6氣體,表壓0.5 MPa,根據具體材質選用不同的理化參數如表1所示.

表1 斷路器基本結構參數與材料參數

在觸指部位采用36片導電觸片并聯結構進行建模,依據其導電原理,動靜觸頭之間的等效電阻如式(1)所示:

Rc=Rj+Rb+Rm1+Rm2

(1)

式(1)中:Rj為接觸電阻等效電阻;Rb為觸指體電阻;Rm1為動觸頭體電阻;Rm2為靜觸頭體電阻.圖3為其觸頭連接處模型等效圖.

圖3 觸頭連接處模型等效圖

本文以自力型觸頭為研究對象進行建模,自力型觸頭依靠自身彈性形變產生的反作用力來實現動靜觸頭之間的連接.自力型觸頭接觸電阻較小,正常接觸狀態下每一片觸指接觸電阻一般在100 μΩ以下[9].但由于GIS斷路器通流較大,接觸電阻引起的熱源在進行溫度場分析時不可忽略[10].

在仿真模型中每個觸指與動觸頭連接處建立厚度為4.3 mm觸片.該觸片為接觸電阻的等效模型,將接觸點處的接觸電阻發熱功率加載到此等效模型上進行溫度場仿真,該觸片體積電阻等效為此接觸面的接觸電阻.在溫度場仿真中,通過改變觸片電導率,可實現模擬接觸電阻的改變,細化模擬不同運行工況.

1.2 三維電磁場計算模型

當GIS施加工頻載流,設備內部將產生交變磁場,設備外殼因電磁感應產生感應電流,引起渦流損耗.故渦流場由麥克斯韋方程組表述如下[11,12]:

在整個求解域Ω內:

(2)

在渦流區(GIS 設備外殼)內:

(3)

GIS設備主導體總電流密度為:

(4)

單位體積生熱率為:

(5)

接觸電阻的發熱功率計算公式為:

Pi=I2Ri

(6)

式(6)中:Pi為接觸電阻發熱功率;I為通過觸片的電流;Ri為接觸電阻.

1.3 傳熱及換熱模型

當GIS斷路器導體加載電流后,部分電磁能將轉變為焦耳熱,故設備溫度場分布將隨熱傳遞過程發生變化.在通流初始階段,GIS斷路器導體溫升速率較快,同時熱量將由高溫導體傳遞至低溫SF6與外殼,因此斷路器整體溫度升高.由于外殼溫升后與空氣產生溫度差,熱量將以對流和輻射的方式發散至空氣,故導體溫升速率逐漸減慢[13].當斷路器溫度達到穩定,此時進入熱平衡狀態.

如圖4所示,GIS斷路器中的熱流在熱平衡狀態下主要有三條路經[14,15]:(1)設備載流后,主導體產生歐姆損耗,外殼因電磁感應產生渦流損耗,熱量以熱傳導方式逆溫度梯度經固體路徑傳遞至設備表面;(2)斷路器導體、SF6、外殼、空氣間存在溫度差,故熱量以對流方式在固體和氣體間傳遞;(3)斷路器溫度高于絕對零度,熱量以熱輻射方式傳遞,其中導體溫度較高,故輻射能量較大.

圖4 GIS熱傳遞過程示意圖

由于熱源和散熱是決定斷路器溫度場分布的兩大因素,故熱傳遞控制方程由傅里葉微分方程表示:

(7)

式(7)中:T為溫度,qv為熱源強度,ρ為材料密度,k為熱傳導系數,c為比熱.

1.4 邊界條件及仿真步驟

渦流場的計算中,本模型中的電介質位移電流引起的發熱程度很小,亦不會對導體的散熱造成影響,所以導體與外殼之間的泄漏電流可以忽略,導體中電流只沿導體軸向流動.在導線端面施加頻率為50 Hz,I=3 150 A電流,施加邊界條件,設置渦流效應,以得到渦流場仿真結果.

規定渦流場邊界條件[16]如下:

(1)假定空氣域外邊界與GIS設備外殼之間的距離無限大,空氣邊界磁場衰減為零,即:

A|ΓH=0

(8)

(2)ΓB為對稱邊界,該邊界面上法向分量的磁感應強度為零,即:

Ay|ΓB=AZ|ΓB=0

(9)

(3)在導體和空氣域端面設置磁力線平行邊界,不考慮設備內部電介質位移電流及泄漏電流的作用.

渦流場中仿真計算得到導體功率損耗為298.823 W,外殼功率損耗為15.371 4 W,將二者作為熱源載荷導入Fluent中進行計算.對GIS斷路器的熱分析做出如下假設:

(1)僅研究設備熱傳遞的穩定階段,不考慮各部分溫度隨時間變化的差異;

(2)各個材料參數為常數,不考慮因溫度變化導致材料屬性變化生成的迭代過程;

(3)GIS設備外殼、導體、絕緣筒材料屬性參數為常數;

(4)考慮重力對SF6氣體的影響,但不考慮溫度變化導致SF6氣體密度和體積的變化;認為外殼和空氣的接觸是整個設備結構唯一的散熱途徑.

本節采用電磁-流場-熱場耦合的方式研究場域的溫升問題,在仿真計算時假設GIS設備熱量傳遞處于熱平衡狀態,且氣體與導體之間為無滑移邊界條件.設置環境溫度為20 ℃,GIS斷路器主導體、外殼、絕緣筒等部件材料屬性參數為常數,氣體設置為層流,設備外殼表面對流換熱系數為6.3 W/(m2·K)不考慮SF6氣體的輻射換熱,重力加速度取g=9.81 m/s2,設置迭代次數為1 000.設置流體材料的性質參數如表2所示.

表2 流體材料的物性參數

溫度場控制方程的邊界條件要考慮物體邊界與外界之間的能量平衡,根據GIS溫度場多種換熱方式及控制方程[17],設置邊界條件說明如下:

(1)設置氣體絕緣開關設備內部流固交界面和空氣域外邊界氣體初始流速為0,即:

vx|Γ1,Γ2=vy|Γ1,Γ2=vz|Γ1,Γ2=0

(10)

式(10)中:vx、vy與vz為流體流速v的x、y、z軸分量.

(2)在空氣域外邊界設置初始溫度:

T|Γ1=T0

(11)

式(11)中:T0為環境溫度.

(3)GIS內部流體與固體、固體與固體交界面施加面-面輻射換熱邊界,即:

(12)

式(12)中:Fij為角系數;σs為Stefan-Boltzmann常數,取5.67×10-8;εe為表面發射率;Tt為GIS外殼溫度;Tc為主導體溫度.

(4)在GIS外殼表面施加大空間輻射換熱邊界,即:

(13)

2 熱場仿真

氣體流動因約束空間不同產生不同的熱傳導方式,水平放置的觸頭受重力及其他因素作用發生同軸度偏移導致接觸電阻分布不均勻,以上因素均會改變GIS溫度場分布.因此,分別探究了GIS不同排布方式以及水平排布時動靜觸頭同軸度偏移對于溫度場分布的影響.

2.1 仿真模型對比研究

本文建立的GIS斷路器三維電磁-熱-流耦合模型精確到單根觸指,并引入接觸電阻模型,能夠更準確計算溫度場結果,因此進行本文模型與傳統模型的計算結果對比.設置負荷電流3 150 A,環境溫度20 ℃,斷路器橫向擺放,設置觸片接觸電阻,得到不考慮接觸電阻的傳統模型和考慮接觸電阻的本文模型的靜觸頭溫度分布云圖如圖5所示.

圖5 接觸電阻有無時靜觸頭溫度分布圖

在渦流場中計算未考慮接觸電阻的傳統模型的導體功率損耗為227.449 W,外殼功率損耗為15.371 3 W,導體功率損耗較本文模型低71.374 W,導致傳統模型靜觸頭最高溫度要低13.19 ℃.傳統模型觸頭最高溫度分布在觸指中段,溫度分布趨勢與實際工況不符[8].由圖5可知,本文建立的考慮接觸電阻的計算模型能細化研究單根觸指接觸狀態改變對溫度場的影響.

2.2 不同現場排布熱場仿真

在實際工程中,GIS設備有水平、豎直兩種排布設計.由于SF6氣體受熱膨脹上浮以及具有自身重力,斷路器排布方式將影響氣體的流動方式,改變熱傳導狀態,進而產生不同的溫度分布.為研究擺放形態對GIS設備溫度場的影響,保持其他條件不變,設置負荷電流3 150 A,環境溫度20 ℃,模擬斷路器豎直擺放(動端在上)、斷路器豎直擺放(靜端在上)兩種形態.

當環境為20 ℃時,斷路器橫向擺放時溫度場仿真結果如圖6、圖7所示.斷路器外殼圓周數據點選取如圖8所示,其中中間截面是水平排布的斷路器觸頭最高溫處對應的截面,0°點是中間截面上外殼溫度最低的點.由圖6、圖7可知,斷路器溫度沿軸向溫度呈低—高—低對稱分布,動法蘭處溫度最低,為27 ℃左右;觸頭處溫度最高,為62.33 ℃左右;外殼最高溫為32.98 ℃左右.如圖9所示,斷路器中間截面處氣體最高流速為0.166 m/s,且由于熱空氣上浮,氣體流速最大值出現在截面最上方,在截面處SF6的對流散熱效果較為明顯,因此不可忽略SF6氣體流動對GIS設備溫度場分布的影響.

圖6 導體溫度場分布圖

圖7 外殼溫度場分布圖

圖8 斷路器外殼圓周數據點選取圖

圖9 斷路器中間截面SF6流速矢量圖

當斷路器豎直擺放(動端在上)時,導體觸頭最高溫度為60.60 ℃,外殼最高溫度為31.34 ℃.由于斷路器內部氣體受熱上浮,與水平擺放相比,動法蘭溫度更高,外殼的最高溫度不再出現在觸頭對應的位置,而是向上偏移,但受到SF6氣體傳熱性的限制,偏移量較小.仿真結果如圖10所示.

圖10 豎直擺放(動端在上)溫度場分布圖

當斷路器豎直放置(靜端在上)時,外殼最高溫度為31.24 ℃,導體最高溫度依然位于觸頭處,為59.46 ℃,但由于內部氣體流動方向發生了變化,此時外殼最高溫度不再位于中部,而是向上偏移,靜端溫度顯著增加.仿真結果如圖11所示.

圖11 豎直擺放(靜端在上)溫度場分布圖

2.3 同軸度偏移熱場仿真

由于金屬構建在外力作用下蠕變,金屬材料在應力大小、環境溫度等因素下應力松弛,動靜觸頭將發生同軸度偏移,引起接觸圓周處受力不均勻,進而引起觸片接觸電阻局部增大導致異常溫升[18].當觸頭接觸電阻阻值相同,相較豎直排布,水平排布溫升更大,且固定約束需承受傳動機構自身重力產生的轉矩,更易發生故障,故以水平排布時的自力型觸頭為例.斷路器動靜觸頭通過36片觸指相連形成導電回路,在研究同軸度偏移對溫度場影響時,將36片觸指整體分為輕微接觸不良、接觸不良、接觸良好、輕微受壓、受壓五部分來模擬實際存在的偏心故障工況.設置環境溫度為20 ℃,忽略光照及風的作用[19],分別設置不同的接觸電阻進行仿真分析,建立觸頭仿真模型如圖12所示.不同偏移程度下,溫度場仿真的關鍵參數設置及結果如表3所示.

表3 不同偏移程度對溫度場分布影響

圖12 考慮同軸度偏移的觸頭仿真模型

動靜觸頭發生偏心故障后,圓周處接觸壓力不再相同,偏移程度越大,接觸壓力差值也就越大.運行工況下水平擺放的斷路器,觸指連接處由于常年受到重力影響,容易形成下端受壓、上端接觸不良的不正常接觸狀態.分別設置動靜觸頭輕度偏心、中度偏心、重度偏心,來研究不同偏移程度的影響.在接觸允許的范圍內,接觸壓力越大,接觸電阻越小[20].渦流場仿真計算中觸指電流密度分布并不均勻,電流密度最小值出現在接觸不良處,為1.548 9×105A/m2,最大值出現在受壓觸片處,為2.346 3×106A/m2.圖13為同軸度輕度、中度以及重度偏移時,觸頭溫度的分布圖.由圖13可知,隨著偏移程度的增大,觸頭溫度顯著上升,溫差逐漸增大.受壓觸片溫度更高,容易形成局部過熱點.

圖13 同軸度不同偏移程度的溫度場分布

3 仿真結果分析

基于以上仿真結果,本章將對排布方式、同軸度偏移引起異常溫升的規律及機理進行深入分析.

3.1 排布方式對異常發熱影響

在斷路器外殼上選取如圖8所示的中間截面,以水平擺放圓周溫度最低點為0 °起始點,順時針旋轉一周,以旋轉角度為橫坐標,以溫度為縱坐標,得到水平擺放不同截面外殼溫度如圖14(a)所示.得到水平擺放、豎直擺放(動端在上)、豎直擺放(靜端在上)三種擺放形態圓周溫度分布規律如圖14(b)所示.

圖14 不同排布方式下外殼溫度分布規律圖

由圖14可知,水平擺放時沿GIS外殼圓周溫差最大,而豎直排布時溫度變分布較均勻.當斷路器水平擺放時,SF6氣體受熱膨脹上浮,所以外殼圓周溫度呈現上高下低、左右基本對稱的分布規律,溫升和溫差都較大;而當斷路器豎直擺放時,氣體流動方向改變,圓周溫度分布趨于均勻,幾乎沒有溫差,整體溫度偏低.

3.2 接觸電阻對異常發熱影響

為探究不同排布方式下接觸電阻對溫度場分布的影響,使接觸電阻從9 μΩ增長至69 μΩ.如圖15所示,觸頭最高溫度隨之線性上升,而斷路器橫放與豎放時的觸頭溫升之差也隨接觸電阻的增大而增大.接觸電阻每增加10 μΩ,觸頭最高溫度上升約20 ℃.相同接觸電阻時,斷路器水平排布時觸頭溫升最高,靜法蘭在上的豎直排布方式觸頭溫升最低.因此斷路器水平排布時更容易出現故障.

圖15 不同排布方式下接觸電阻對觸頭最高溫度的影響

如圖16所示,當熱能以對流和輻射的形式進一步傳遞至設備殼體,外殼溫升隨接觸電阻增大而增大.如圖17所示,SF6氣體受熱上浮,而斷路器水平排布時氣體對流空間相對豎直排布時有限,故熱量積聚于觸頭上方殼體處,因此外殼橫、豎排布方式下的最高溫溫差隨外殼溫升逐漸加大.

圖16 不同排布方式下接觸電阻對外殼最高溫度的影響

斷路器水平和豎直兩類不同排布方式,相同接觸電阻條件下:接觸電阻小于49 μΩ時,斷路器排布方式對觸頭和外殼溫度影響較小.接觸電阻大于49 μΩ時,水平排布方式下對流空間有限,觸頭和外殼溫升明顯高于豎直排布方式.

設置觸片所在位置為坐標原點,斷路器軸線為一維坐標軸,方向由靜法蘭指向動法蘭,如圖18所示.斷路器豎直放置時,隨著接觸電阻從9 μΩ增長至69 μΩ,SF6氣體溫度上升,對流效果變強,故外殼最高溫度點從觸頭處逐漸向法蘭偏移,即沿斷路器軸線向氣體重力加速度反方向移動,如圖19所示.

圖18 斷路器一維坐標示意圖

圖19 最高溫度點與坐標原點相對距離

3.3 同軸度對異常發熱的影響

水平排布的斷路器,當觸頭發生偏心故障時,觸指接觸壓力不等,接觸電阻值分布不均勻,故電流集中于少數觸指處.如圖20所示,偏移程度越大,觸片所受壓力越大,導體局部溫升越高,在同一截面圓周內溫差越大.

圖20 偏移程度對溫度場分布的影響

發生同軸度偏移時,觸頭和外殼溫度均較正常狀態下出現明顯的升高.選取不同偏移程度時中間截面180 °點的觸頭及斷路器外殼溫度.中度偏移與輕度偏移時溫度作差,重度偏移與中度偏移之間溫度作差.觸頭溫差分別為50.52 ℃和111.05 ℃,外殼溫差分別為11.27 ℃和55.87 ℃.偏移程度的劣化,對斷路器內部觸頭溫升影響更大.在水平排布時,斷路器下部觸片受壓,溫度更高,但是熱SF6氣體上浮與上部外殼對流換熱,導致中間截面正上方點的外殼溫升最高,此點為GIS斷路器水平排布時,最佳外殼溫升監測點.

4 結論

斷路器在不同的運行工況下溫度分布隨之變化,而觸頭溫升是影響設備安全穩定運行的重要因素.本文建立的GIS斷路器電磁-熱-流耦合模型綜合考慮的多種溫升影響因素,為不同電壓等級的GIS斷路器運行狀態監測提供參考.由不同因素影響斷路器溫度的分析結果可知:

(1) 當SF6熱氣上浮,GIS斷路器橫、豎擺放形態均呈現出上高下低的溫度分布趨勢.水平擺放時,溫度基本呈左右對稱分布,沿軸向呈現出低—高—低的變化趨勢,沿殼體圓周呈現上高下低的變化趨勢;當豎直擺放時最高溫度沿軸向向上偏移,但受SF6氣體傳熱限制,最高溫度僅偏移至中上方.

(2) GIS斷路器水平排布時,在環境溫度為20 ℃時,觸頭處溫度最高,為62.33 ℃;外殼最高溫為32.98 ℃.

(3) GIS斷路器豎直排布時,接觸電阻增大,觸頭溫度隨之升高,SF6對流速度增大,外殼最高溫度點位置沿斷路器軸線向氣體重力加速度反方向移動.

(4) 水平排布的GIS斷路器發生同軸度偏移時,受壓觸指溫升最高,但是外殼溫度最高點是中間截面正上方,為GIS設備溫升監測提供參考.