气体绝缘组合电器运行海拔对其温度分布特性的影响

郑 佳 曹妤婕 常 俊 朱小贤 艾 春 刘淑英

①国网上海市电力公司金山供电公司 ②缤谷电力科技（上海）有限公司

气体绝缘组合电器运行中会流通大电流，进而导致温度从内部导体传导到外壳，设备运行的海拔高度不同，会导致外部气压不同，进而对其温度分布产生影响。本文通过有限元计算，研究了设备不同海拔高度对其温度分布特性的影响，为设备运维中温度测量结果的分析及设备设计提供参考。

气体绝缘组合电器（GIS）具有体积紧凑、安全性高的特点，在电网中的应用越来越广泛[1]。GIS装置经常布置于郊野、都市周边等运行环境极端、受力状况复杂的区域。近年来，国内投入使用了大批GIS装置。GIS装置常年带负荷运转，经历各式各样的极端环境，伴随着装置运行时间的不断生长，在服役过程中，GIS装置也逐步显露出各式各样的问题。GIS运行中除了会产生绝缘故障外[2]，温升太高导致的设备绝缘故障是主要问题之一，它很容易给GIS装置的健康运行带来不利影响。GIS内部导体会流通上千安培的大电流，会产生大量热量，热量通过绝缘气体传导至外壳，并在设备内部形成温度分布。设备运行的海拔高度不同，会导致外部气压不同，进而对其温度分布产生影响，本文通过有限元计算，研究了不同海拔高度对其温度分布特性的影响。

1 GIS温度场分布特性

GIS设备在运行过程中，导电杆、金属外壳中将要产生电流和涡流损耗。这些损耗将转化成为热量，在金属内部传导，并传导至周围介质中，从而导致GIS装置温度升高。导电杆电流热效应导致其温度升高，其在温升的初始阶段时，温度会上升得非常快，但随着导电杆温度的逐渐升高，导电杆与周围气体介质会有一定的温度差，此时导电杆会将一部分热量传导至其周围的气体介质，使其周围的气体介质温度也随导电杆温度的升高而升高。此后，导电杆的温度上升速率会渐渐降低，再经过一段时间，GIS设备各组件之间的热量传递达到稳定状态，此时GIS各部分的温度不再继续升高，此时为热平衡状态。在该阶段，导电杆电流热效应和外壳涡流产生的热量会全部散发到外部的空气中。

在热平衡状态下，GIS设备内部热源产热到热传导的路径是比较复杂的。GIS设备中一般有以下这几种热量流通路径。

（1）导电杆电流热效应、金属外壳涡流损耗所产生的热量，将由热源位置，通过一定规律的热传导方式，传导至导电杆和外壳的外表面。

（2）导电杆热源和外壳热源中的热量传导至其边界以后，导电杆及外壳的边界与导电杆外部气体及外壳外部空气之间存在温差。因此导电杆和外壳可以将热量传导至其边界以外的绝缘气体及空气中，从而使绝缘气体和空气的温度逐步上升。

（3）外壳导电杆之间的绝缘气体接触到外壳时，通过热传导和热辐射作用，绝缘气体又会将热量传导给外壳，导致外壳的温度上升；热量再经由外壳内壁传导至外壳外壁；由于外壳与外界环境存在温差，再通过传热作用，热量被传导至外界环境中。

从以上内容不难发现，GIS导电杆和外壳热源从产热到将其散发至GIS的外界环境中，需历经许多步骤。热传导过程中的每一步都要求两种导热介质之间存在温差，导热介质之间温差的大小与热源和介质的物理性质相关。

2 GIS温度特性的有限元计算

有限元法（Finite Element Method），英文缩写为FEM，起源于二十世纪中期。它是一种数学、计算机、力学多学科交叉的高效能数值计算方法。工程科学计算与分析是有限元法初显身手的领域，有限元法被运用于数值模拟和解决热学、电磁学、工程力学等工程学科问题。而在有限元法出现以前，普通的数学解析计算求解不了拥有无定形结构的复杂模型。故有限元法的出现，为世人带来了一种高效的计算分析途径。

有限元法的中心思想：化整为零，集零为整。使用简单问题来代替复杂问题，然后通过解出简单问题，进而获得复杂问题的解。首先确定模型的待求解域，再按照软件求解器所确定的方法针对待求解域进行离散，将它们划分为有限数量的单元。因为离散单元可以根据不同联结方法拼接，其自身也拥有各种各样的形态，因而待求解的单元可划分为各式各样形态的待求解小网格。之后对各个小网格开展数值模拟，最终通过各个小网格的求和，完成整体上的求解。

FEM计算过程：①添加模型各部分使用的材料（可手动修改材料物理参数值）；②建立模型的待求解区域，离散化模型，使其划分为有限量的单元。将连续区域分解为单元与节点等大量个体的问题；③确定各个单元或节点的近似连续基函数，输入预先定义的积分方程；④对各个单元进行求解分析，建立关于各个单元的整体刚度相关矩阵；⑤将各个单元合成整体的有限元方程，赋予初始条件、边界条件以及载荷；⑥求解分析区域中的线性微分方程组，解出节点的数值模拟计算结果。

本文对GIS装置进行了FEM仿真计算，GIS装置的模型比较复杂，在其内部拥有不少曲率半径小的边界。根据不同的要求，待求解网格可划分为各式各样的形状，故运用FEM可以对复杂的待求解区域进行数值模拟计算，从而获得更接近实际情况的解。显然，若在求解区域的插值函数满足仿真要求，对问题的求解精度会随着网格数量的增加而提高。随着迭代次数的增加，函数的解最终将收敛并低于一定残差。同时，在开展划分网格的工作之前，应首先对需要获得精确解的区域进行人工网格细化。但是，若划分网格的数量无限增加，节点数量太大时，肯定会导致节点数量过多、剖分形式复杂等问题。对于计算机而言，会导致其内存需求过大，使求解时间大大增加，所以当计算机的配置一般时，无法对复杂的问题进行求解。因此，在解决实际工程问题划分网格的过程中，只要网格细化的程度使解得的数据满足工程要求即可。

将GIS的有限元模型分为4层：导电杆内SF6气体、导电杆、外壳导电杆之间的SF6气体、外壳。建立GIS的三维磁场—热场—流场有限元模型，将GIS导电杆的电流热效应损耗和金属外壳的涡流损耗作为热源，耦合到热场和流场中，从而得到GIS设备达到稳态时的温度场和内部气体流速场，进而对GIS装置的温度分布情况和内部气体流动趋势展开分析。

3 海拔对设备内部温度分布的影响规律

本文采用电磁场—热场—流场多物理场耦合的有限元软件分析法，对GIS设备的温度场、SF6气体流速场进行数值模拟计算。仿真综合考虑了GIS设备材料、SF6气体流速、SF6气体重力加速度、导体电导率的温度效应、金属外壳的涡流损耗、SF6气体对流散热与SF6气体辐射散热等多种因素对GIS设备温度场的影响。以220kV GIS参数构建计算模型，改变GIS所处的海拔位置（铜芯铝壳GIS，外部空气自然对流，额定电流大小：3150A，外界温度：293.15K，SF6气压：0.5MPa）的条件下，研究海拔对GIS温度场的影响。考虑到输电线路及变电所有可能建设在海拔5000m的高原地区，故仿真的海拔范围为0m至5000m，梯度为1000m。不同海拔下的温度和温升计算结果如表1所示。

表1 不同海拔下的温度和温升

由表1可以看出，随着海拔的上升，外界环境的气压下降，GIS装置与外部空气的自然对流作用减弱，导致GIS的散热效果变差，导致GIS的外壳和导电杆温度随着海拔的上升，显现出了升高趋势。但温度随海拔上升而升高的幅度并不大，不超过1℃。具体变化趋势如图1所示。

图1 不同海拔下外壳和导电杆温升

由图1可以看出，外壳和导电杆温升随着海拔上升而上升，但拟合曲线显现出了非线性，这是因为在海拔均匀变化之时，气压并不是均匀变化的。

4 结论

本文以220kV GIS为对象，构建了其温度分布计算模型，计算了不同海拔高度下的温度分布情况，结果表明随着海拔升高，外界环境气压降低，散热效果变差，温升逐渐上升。结果为高海拔地区GIS设备的运行及维护提供了参考。