特高压GIL温升仿真分析

特高压GIL温升仿真分析

王克峰，豆彬

(平高集团有限公司,平顶山467001)

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摘要：有限元数值计算方法具有成本低、精确度高、可模拟任意复杂环境等优点，是一种求解GIL温升的有效方法。本文以特高压GIL为原型，建立三维有限元模型，通过数值计算求解GIL热场-流场耦合温度场,并采用温升试验的方法对GIL管道温升仿真结果进行了验证。

关键词：特高压GIL；有限元法；趋肤效应；温升

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0. 引言

随着国民经济和电网容量的飞速发展，气体绝缘金属封闭输电线路（gas insulated metal-enclosed transmission line，GIL）得到了长远的发展。GIL具有输电容量大、结构紧凑、安装方便、互换性好、使用安全、寿命长等一系列优点被广泛地应用在高压及特高压输电系统中[1]。在实际应用中,由于距离长、跨度大等因素，GIL所处的地理环境较为复杂,因此无论是前期设计安装或后期的运行维护检修,均有必要对GIL散热及温升特性进行全面的研究。文献[2]采用电磁-热-流多物理场耦合的方法分析了不同环境因素对GIL外壳温度、导体温度以及外壳外表面对流换热系数的影响；文献[3]采用多物理场耦合方法计算了GIL连接触头温升的影响因素；文献[4]考虑了温升模型的热平衡状态以及温度对材料性能的影响，计算了复合GIL/GIB的温升。

对于电压等级低的小容量母线，其采用自然风冷时由于密封性能优良、母线产生的热量难以散发出去其散热性能差的特点就会很突出这样很容易造成内部母线温升值超标。对大电流封闭母线进行温升计算分两部分一部分是电的方面，由于集肤效应大电流封闭母线内母线沿径向的电流密度分布是不均匀的，这也造成其交流阻抗大大增加。本文对苏通管廊GIL结构采用多物理场耦合方法进行温升仿真计算，并将仿真结果与试验值进行对比，验证仿真结果的准确性。

1.几何模型

本文以平高集团自主研发设计的1100kV特高压GIL为原型，建立三维有限元模型，模型基本结构如图1所示，包括中心导体、筒体、支柱绝缘子和中心导体，GIL主要尺寸参数如表1所示。

图1 特高压GIL模型

表1 特高压GIL主要尺寸

GIL为同轴圆柱体系，为便于建模、计算，本物理模型作以下简化：

①绝缘子的主要材料为环氧树脂，其热导率远低于金属外壳，因此暂不考虑绝缘子的热交换。

②GIL管道单元长度很长，不同单元气室间热量交换较少，因此暂只考虑单元管道的温升问题。

2.数学模型

热传导、对流和辐射三种传热方式共同存在于GIL的热量传递，其中固体域传热方式主要为热传导，而流体域传热主要以对流和福射为主。为简化计算，本文做下假设：

①由于GIL内部SF6气体在升浮力与重力的共同作用下流动，温度差异造成气体局部密度不均匀，所以气体的对流换热方式均为自然对流换热；②气体几乎无法反射热福射能，故忽略填充气体本身的福射换热因素；

③模型中的气体当做不可压缩粘性流体；

④考虑GIL温升试验环境，忽略风速化及太阳福射的影响作用；

⑤由于外壳的屏蔽作用，因此不考虑GIL正邻近效应。

在温度场求解中，气体稳态自然对流时，其温度和速度受质量传递、动量传递和能量传递的共同控制。

（1）固体域

GIL导体与外壳内部导热微分控制方程可表述为：

（1）

式中：为导体或外壳的热导率；为温度；Q为损耗，为导体或外壳密度，C为比热容，t为时间。

（2流体域

SF6体流场-热场縄合微分控制方程由动量守恒方程、能量守恒方程及质量守恒方程三分构成。

质量守恒方程：

      （2）

动量守恒方程:

       （3）

（4）

      （5）

能量守恒方程：

             （6）

式中，u、v、w分别表示气体沿x、y、z方向的速度分量，为气体密度，g为重力加速度，为气体膨胀系数，为冷热面温度差，为气体比热容，为气体的导热系数，为气体温度，为气体压力，为气体运动粘性系数。

3.温升计算结果

采用电磁热耦合计算，在COMSOL中将电磁模块与流体传热进行耦合，将电磁产生的热损耗导入流体场中作为温度场计算的热源。导体表面设置相应的辐射系数，筒体表面设置相应的对流换热系数。设定边界条件为：环境温度20℃，负载电流为6930A，绝对气体压强0.55MPa，绝缘气体为纯SF6气体。稳态时GIL温度分布见图2所示。

图2 GIL温度场分布

由图可以看出，GIL管道内部气体在热浮力的作用下，对流效果显著，导体正上方的气体温度较高，在导体与外壳顶部之间形成一条竖直温度带，上升气流遇到顶部外壳的阻挡向两侧分流，导体左右两侧气体温度基本对称，温度带呈现水平分布，导体下方气体温度低于导体上方，且GIL温度分布具有近似的轴对称性。仿真结果结果表明，外壳最高温升23.8K，导体最高温升46K，位于导体顶端，符合国标GB/T 11022和电力行标DL/T 978的相关要求，表明特高压GIL输电管道在额定负载下的温升满足相关要求。

4.温升试验结果

为研究GIL管道通流时的温度分布，同时设计并装配了一套温升样机，开展1.1倍额定电流，即6930A通流下温升试验。

达到稳定状态时，GIL壳体表面的最高温升为22.4K（小于壳体的允许温升27K），导体表面最高温升48.5K（小于导体允许温升75K），仿真结果与试验基本一致。

参考文献：

[1]黎斌.SF6高压电器设计[M].机械工业出版社，2010.

[2]周利军,张讥培,王朋成等.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.

[3]朱思尧. GIL连接触头电接触和温升特性研究[D].中国矿业大学,2022.

[4]吴趣鸿,董立辉,朱勇等.新型复合GIL/GIB温升模型仿真计算[J].电力科学与工程,2015,31(06):54-58.

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