鄭 佳 曹妤婕 常 俊 朱小賢 艾 春 劉淑英

①國網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司 ②繽谷電力科技（上海）有限公司

氣體絕緣組合電器運(yùn)行中會流通大電流，進(jìn)而導(dǎo)致溫度從內(nèi)部導(dǎo)體傳導(dǎo)到外殼，設(shè)備運(yùn)行的海拔高度不同，會導(dǎo)致外部氣壓不同，進(jìn)而對其溫度分布產(chǎn)生影響。本文通過有限元計算，研究了設(shè)備不同海拔高度對其溫度分布特性的影響，為設(shè)備運(yùn)維中溫度測量結(jié)果的分析及設(shè)備設(shè)計提供參考。

氣體絕緣組合電器（GIS）具有體積緊湊、安全性高的特點(diǎn)，在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。GIS裝置經(jīng)常布置于郊野、都市周邊等運(yùn)行環(huán)境極端、受力狀況復(fù)雜的區(qū)域。近年來，國內(nèi)投入使用了大批GIS裝置。GIS裝置常年帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)歷各式各樣的極端環(huán)境，伴隨著裝置運(yùn)行時間的不斷生長，在服役過程中，GIS裝置也逐步顯露出各式各樣的問題。GIS運(yùn)行中除了會產(chǎn)生絕緣故障外[2]，溫升太高導(dǎo)致的設(shè)備絕緣故障是主要問題之一，它很容易給GIS裝置的健康運(yùn)行帶來不利影響。GIS內(nèi)部導(dǎo)體會流通上千安培的大電流，會產(chǎn)生大量熱量，熱量通過絕緣氣體傳導(dǎo)至外殼，并在設(shè)備內(nèi)部形成溫度分布。設(shè)備運(yùn)行的海拔高度不同，會導(dǎo)致外部氣壓不同，進(jìn)而對其溫度分布產(chǎn)生影響，本文通過有限元計算，研究了不同海拔高度對其溫度分布特性的影響。

1 GIS溫度場分布特性

GIS設(shè)備在運(yùn)行過程中，導(dǎo)電桿、金屬外殼中將要產(chǎn)生電流和渦流損耗。這些損耗將轉(zhuǎn)化成為熱量，在金屬內(nèi)部傳導(dǎo)，并傳導(dǎo)至周圍介質(zhì)中，從而導(dǎo)致GIS裝置溫度升高。導(dǎo)電桿電流熱效應(yīng)導(dǎo)致其溫度升高，其在溫升的初始階段時，溫度會上升得非?？?，但隨著導(dǎo)電桿溫度的逐漸升高，導(dǎo)電桿與周圍氣體介質(zhì)會有一定的溫度差，此時導(dǎo)電桿會將一部分熱量傳導(dǎo)至其周圍的氣體介質(zhì)，使其周圍的氣體介質(zhì)溫度也隨導(dǎo)電桿溫度的升高而升高。此后，導(dǎo)電桿的溫度上升速率會漸漸降低，再經(jīng)過一段時間，GIS設(shè)備各組件之間的熱量傳遞達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時GIS各部分的溫度不再繼續(xù)升高，此時為熱平衡狀態(tài)。在該階段，導(dǎo)電桿電流熱效應(yīng)和外殼渦流產(chǎn)生的熱量會全部散發(fā)到外部的空氣中。

在熱平衡狀態(tài)下，GIS設(shè)備內(nèi)部熱源產(chǎn)熱到熱傳導(dǎo)的路徑是比較復(fù)雜的。GIS設(shè)備中一般有以下這幾種熱量流通路徑。

（1）導(dǎo)電桿電流熱效應(yīng)、金屬外殼渦流損耗所產(chǎn)生的熱量，將由熱源位置，通過一定規(guī)律的熱傳導(dǎo)方式，傳導(dǎo)至導(dǎo)電桿和外殼的外表面。

（2）導(dǎo)電桿熱源和外殼熱源中的熱量傳導(dǎo)至其邊界以后，導(dǎo)電桿及外殼的邊界與導(dǎo)電桿外部氣體及外殼外部空氣之間存在溫差。因此導(dǎo)電桿和外殼可以將熱量傳導(dǎo)至其邊界以外的絕緣氣體及空氣中，從而使絕緣氣體和空氣的溫度逐步上升。

（3）外殼導(dǎo)電桿之間的絕緣氣體接觸到外殼時，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射作用，絕緣氣體又會將熱量傳導(dǎo)給外殼，導(dǎo)致外殼的溫度上升；熱量再經(jīng)由外殼內(nèi)壁傳導(dǎo)至外殼外壁；由于外殼與外界環(huán)境存在溫差，再通過傳熱作用，熱量被傳導(dǎo)至外界環(huán)境中。

從以上內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，GIS導(dǎo)電桿和外殼熱源從產(chǎn)熱到將其散發(fā)至GIS的外界環(huán)境中，需歷經(jīng)許多步驟。熱傳導(dǎo)過程中的每一步都要求兩種導(dǎo)熱介質(zhì)之間存在溫差，導(dǎo)熱介質(zhì)之間溫差的大小與熱源和介質(zhì)的物理性質(zhì)相關(guān)。

2 GIS溫度特性的有限元計算

有限元法（Finite Element Method），英文縮寫為FEM，起源于二十世紀(jì)中期。它是一種數(shù)學(xué)、計算機(jī)、力學(xué)多學(xué)科交叉的高效能數(shù)值計算方法。工程科學(xué)計算與分析是有限元法初顯身手的領(lǐng)域，有限元法被運(yùn)用于數(shù)值模擬和解決熱學(xué)、電磁學(xué)、工程力學(xué)等工程學(xué)科問題。而在有限元法出現(xiàn)以前，普通的數(shù)學(xué)解析計算求解不了擁有無定形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜模型。故有限元法的出現(xiàn)，為世人帶來了一種高效的計算分析途徑。

有限元法的中心思想：化整為零，集零為整。使用簡單問題來代替復(fù)雜問題，然后通過解出簡單問題，進(jìn)而獲得復(fù)雜問題的解。首先確定模型的待求解域，再按照軟件求解器所確定的方法針對待求解域進(jìn)行離散，將它們劃分為有限數(shù)量的單元。因為離散單元可以根據(jù)不同聯(lián)結(jié)方法拼接，其自身也擁有各種各樣的形態(tài)，因而待求解的單元可劃分為各式各樣形態(tài)的待求解小網(wǎng)格。之后對各個小網(wǎng)格開展數(shù)值模擬，最終通過各個小網(wǎng)格的求和，完成整體上的求解。

FEM計算過程：①添加模型各部分使用的材料（可手動修改材料物理參數(shù)值）；②建立模型的待求解區(qū)域，離散化模型，使其劃分為有限量的單元。將連續(xù)區(qū)域分解為單元與節(jié)點(diǎn)等大量個體的問題；③確定各個單元或節(jié)點(diǎn)的近似連續(xù)基函數(shù)，輸入預(yù)先定義的積分方程；④對各個單元進(jìn)行求解分析，建立關(guān)于各個單元的整體剛度相關(guān)矩陣；⑤將各個單元合成整體的有限元方程，賦予初始條件、邊界條件以及載荷；⑥求解分析區(qū)域中的線性微分方程組，解出節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬計算結(jié)果。

本文對GIS裝置進(jìn)行了FEM仿真計算，GIS裝置的模型比較復(fù)雜，在其內(nèi)部擁有不少曲率半徑小的邊界。根據(jù)不同的要求，待求解網(wǎng)格可劃分為各式各樣的形狀，故運(yùn)用FEM可以對復(fù)雜的待求解區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬計算，從而獲得更接近實際情況的解。顯然，若在求解區(qū)域的插值函數(shù)滿足仿真要求，對問題的求解精度會隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而提高。隨著迭代次數(shù)的增加，函數(shù)的解最終將收斂并低于一定殘差。同時，在開展劃分網(wǎng)格的工作之前，應(yīng)首先對需要獲得精確解的區(qū)域進(jìn)行人工網(wǎng)格細(xì)化。但是，若劃分網(wǎng)格的數(shù)量無限增加，節(jié)點(diǎn)數(shù)量太大時，肯定會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多、剖分形式復(fù)雜等問題。對于計算機(jī)而言，會導(dǎo)致其內(nèi)存需求過大，使求解時間大大增加，所以當(dāng)計算機(jī)的配置一般時，無法對復(fù)雜的問題進(jìn)行求解。因此，在解決實際工程問題劃分網(wǎng)格的過程中，只要網(wǎng)格細(xì)化的程度使解得的數(shù)據(jù)滿足工程要求即可。

將GIS的有限元模型分為4層：導(dǎo)電桿內(nèi)SF6氣體、導(dǎo)電桿、外殼導(dǎo)電桿之間的SF6氣體、外殼。建立GIS的三維磁場—熱場—流場有限元模型，將GIS導(dǎo)電桿的電流熱效應(yīng)損耗和金屬外殼的渦流損耗作為熱源，耦合到熱場和流場中，從而得到GIS設(shè)備達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的溫度場和內(nèi)部氣體流速場，進(jìn)而對GIS裝置的溫度分布情況和內(nèi)部氣體流動趨勢展開分析。

3 海拔對設(shè)備內(nèi)部溫度分布的影響規(guī)律

本文采用電磁場—熱場—流場多物理場耦合的有限元軟件分析法，對GIS設(shè)備的溫度場、SF6氣體流速場進(jìn)行數(shù)值模擬計算。仿真綜合考慮了GIS設(shè)備材料、SF6氣體流速、SF6氣體重力加速度、導(dǎo)體電導(dǎo)率的溫度效應(yīng)、金屬外殼的渦流損耗、SF6氣體對流散熱與SF6氣體輻射散熱等多種因素對GIS設(shè)備溫度場的影響。以220kV GIS參數(shù)構(gòu)建計算模型，改變GIS所處的海拔位置（銅芯鋁殼GIS，外部空氣自然對流，額定電流大?。?150A，外界溫度：293.15K，SF6氣壓：0.5MPa）的條件下，研究海拔對GIS溫度場的影響。考慮到輸電線路及變電所有可能建設(shè)在海拔5000m的高原地區(qū)，故仿真的海拔范圍為0m至5000m，梯度為1000m。不同海拔下的溫度和溫升計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同海拔下的溫度和溫升

由表1可以看出，隨著海拔的上升，外界環(huán)境的氣壓下降，GIS裝置與外部空氣的自然對流作用減弱，導(dǎo)致GIS的散熱效果變差，導(dǎo)致GIS的外殼和導(dǎo)電桿溫度隨著海拔的上升，顯現(xiàn)出了升高趨勢。但溫度隨海拔上升而升高的幅度并不大，不超過1℃。具體變化趨勢如圖1所示。

圖1 不同海拔下外殼和導(dǎo)電桿溫升

由圖1可以看出，外殼和導(dǎo)電桿溫升隨著海拔上升而上升，但擬合曲線顯現(xiàn)出了非線性，這是因為在海拔均勻變化之時，氣壓并不是均勻變化的。

4 結(jié)論

本文以220kV GIS為對象，構(gòu)建了其溫度分布計算模型，計算了不同海拔高度下的溫度分布情況，結(jié)果表明隨著海拔升高，外界環(huán)境氣壓降低，散熱效果變差，溫升逐漸上升。結(jié)果為高海拔地區(qū)GIS設(shè)備的運(yùn)行及維護(hù)提供了參考。