基于混合气体的GIS母线温升多物理场耦合分析

基于混合气体的 GIS母线温升多物理场耦合分析

陈瑞

山东达驰高压开关有限公司 山东成武 274200

摘要：本文简要介绍了GIS母线温升多物理场耦合相关基础理论，针对GIS母线电磁场分布特征以及温度-流体场耦合机制展开探讨，并总结分析了导致GIS母线温升的其他影响因素。

关键词：GIS；温度；多物理场耦合

引言：在电力系统运行的过程中，温升问题是影响系统运行安全可靠性的重要原因之一，其中GIS母线又是温升问题当中的主要电气设备。而目前我国对于此方面混合气体的分析和探讨，大多是从放电特性与绝缘方面展开的，本文则从多物理场耦合角度，对GIS母线上电磁场与温度场的分布情况展开探讨，并对GIS母线温升主要影响因素进行分析，以期能够为相关学者提供参考。

一、GIS母线温升多物理场耦合相关理论

此次GIS母线温升多物理场耦合分析过程中，主要是从电磁场以及温度场两个方面展开的，因此在实际进行分析的过程中会涉及电磁场、温度场等相关理论。

电磁场相关理论。在进行GIS母线电磁场分析时，主要是以麦克斯韦方程为理论基础展开的计算，所应用的理论包括安培定律、高斯电通定律、法拉第电磁感应定律以及磁通定律^[1]。

温度分析相关理论。GIS母线温升分析，需要先对GIS母线的散热过程进行分析，其主要散热方式包括热传导、热辐射以及热对流三种方式。

此外，为进行GIS母线温升多物理场耦合分析，还需要对多物理耦合过程进行探讨，整个耦合分析过程如下：第一，确定导体与外壳的初始温度；第二，对导体和外壳电导率进行计算；第三，建立电磁场有限元模型；第四，计算电磁热损耗；第五，建立流体-温度场模型；第六，读取磁场中计算出的电磁热损耗并施加载荷与边界条件；第七，流体-温度场耦合计算；第八，导体外壳温度计算；第九，将计算的导体与外壳温度与初始温度相比较，若误差大于5%，则需要重新将计算得到的温度作为初始温度，重复步骤二到步骤九。

二、GIS母线电磁场分布特征

在实际进行GIS母线电磁场分布特征分析和计算的过程中，为简化计算难度，提取出电磁场分布特征，对气体轴向移动以及位移电流所产生的影响忽略不计，以额定电压等级126KV、额定电流为2KA的GIS母线为例展开分析。得到GIS母线电磁场仿真模型如图1所示。

图 1 GIS母线计算模型

经仿真计算分析发现，随着GIS母线内电流的增加，其所产生的磁场强度最大值也会有所增加，并且在三相母线当中，由于受到A、C相母线影响，导致B相母线的磁场强度最大。

在对GIS母线磁通密度进行分析时发现，其磁矢量是沿着导体的切线方向分布的，并且B相上电磁热损耗量要略大于C相，略大于A相，而且在三相母线互相作用之下，导致GIS母线外壳上的涡流损耗也相对较大。

三、GIS母线温度-流体场耦合机制

在实际进行温度场分析的过程中，需要将GIS母线金属导体和外壳上所产生的电磁热损耗，以及GIS母线外壳上的涡流损耗，共同作为GIS母线温度热源进行后续分析。对于三项母线而言，当出现三相交流电时，其母线外壳上会因此产生巨大涡流，也会造成较大损耗，因此，需要将其与电磁热损耗同时作为热源进行分析，以此进一步减少分析过程中所产生的误差问题，提升计算结果的可靠性以及准确性。

在将上述电磁热损耗以及涡流损耗作为热源进行温度-流体场分析后，得到GIS母线温度分布情况，发现三相母线内容温度基本呈现出左右对称的情况，并且由于混合气体存在对流情况，因此上方混合气体流速要稍快于下方，导致气体上方温度要高于下方。另外，由于金属的热传导系数较高，因此导体上的温度要明显高于混合气体区域，并且随着电流的增大，导体的温度也会有所提升。其中B相导线温度最高。

四、导致温升的影响因素

除了电磁因素之外，影响母线温升的因素还包括负荷电流、气体气压、环境温度以及气体的组分，下面采用控制变量法对这几种影响因素进行分析。

（一）负荷电流

负荷电流是导致母线升温的主要影响因素，在实际进行分析的过程中，对现场环境温度、气体压强等条件进行控制，为GIS母线分别通入不同的电流，并对不同负荷电流下的外壳与导体温度进行监控和测量。导体与外壳的温度随负荷变化曲线如图2所示。

经分析发现，随着母线内电流的增加，母线壳体和导体的温度也在不断增大，而且电流越大，其温度增长的速度越快，此外，导体温度的增长速率要始终快于外壳。因此，在实际进行GIS母线管理的过程中，可以通过当前负荷电流的大小以及外壳升温情况，对导体的温升情况进行预测，以此确保系统运行的安全性。

图 1 导体与外壳的温度随负荷变化曲线

（二）气体气压

通过对母线的电流以及环境温度的控制，分析混合气体总气压对于导线温升情况的影响。将混合绝缘气体的总压强分别控制在0.5、0.6、0.7、0.8、0.9MPa下，并分别对母线外壳以及导体的温升情况进行记录，得到的变化曲线如图2所示。

由图2可知，随着混合气体压强的逐渐增加，母线温升呈现出逐渐下降的趋势。导致这种情况出现的主要原因在于，随着气体压强的增加，混合气体的密度也在不断提升，而其比热容也会随之增加，导致气体热容量提升，因此气体在对流过程中所带走的热量也就有所提升。因此，在母线实际运行的过程中，也可以通过增加混合气体的压强，达到减少温升的目的。

图 2 导体与外壳温度随气压变化过程

（三）环境温度

环境温度对于母线温升的影响是最为直观的，通过对其他条件的控制，仅改变母线所在的环境温度，从0摄氏度逐渐升温至30摄氏度，经过对母线外壳以及导体温度的监控，可知，随着环境温度的不断提升，导体以及外壳的温度也处于逐渐提升的状态下，而且在此温度范围之内二者之间呈现出线性关系。事实上，相较于其他影响因素而言，环境温度对于外壳的温升影响是最为直接的，该因素会直接作用于母线外壳，正因如此环境温度对于外壳的影响要远超对导体的影响。

（四）气体组分

目前大多数GIS母线中的绝缘气体为SF₆，因此在实际进行气体组分研究时，需要通过控制SF₆气体的比例，进行温度变化分析。对母线负荷的电流、混合气体压强以及环境温度进行控制，并按照100%、70%、50%、30%以及0%的比例，控制SF₆气体含量，进行测温，为保障气体压强不变，需要使用纯N₂气体进行补充。得到的导体温升情况如图3所示，外壳温升情况如图4所示。

由图3、图4分析可知，随着SF₆气体比例的不断增加，母线导体的温度呈现出逐渐下降的趋势，并且在SF₆气体比例上升到70%以后，随着气体比例的增加，其温度下降的幅度逐渐降低。对于母线外壳部分而言，其受到的SF₆气体比例影响相对较小，外壳温度变化不明显。因此，在实际进行母线运行的过程中，为确保母线安全稳定地运行，需要合理控制SF₆气体的含量，避免SF₆气体比例过低，导致导体温度过高，此外若SF₆气体比例过低，也会影响母线的绝缘性能，引发安全隐患^[2]。

图 3 导体温升随混合气体组分变化情况

图 4 外壳温升随混合气体组分变化情况

结束语：对于混合气体的GIS母线而言，影响其温升情况的因素是多种多样的，不仅包括其本身运行过程中的电磁热损耗，以及涡流损耗，还会受到负荷电流、混合气体压强、环境温度以及气体组分的影响。相信随着对GIS母线温升情况的深入研究和探讨，我国电力系统运行的可靠性也将会得到进一步提升。

参考文献：

[1]王珂珂，李丽，王久阳，等.基于混合绝缘气体的三相GIS母线温升多物理场耦合机制研究[J].高压电器，2021，57（04）:69-75.

[2]杨桢，任玲玲，王凯，等.基于混合绝缘气体的GIS母线温升多物理场耦合分析[J].高压电器，2021，57（01）:48-54.