气体绝缘金属封闭输电线路热效应计算及分析

摘要

中国已进入特高压输电发展阶段，正在开发一系列特大型水电、核电基地，城市电网容量也在迅速增长。气体绝缘输电线路凭借其可靠性高、传输能力强、损耗低等诸多优点，在很多地方成为替代架空输电和电缆输电的优选方案。然而其密封严、体积小、电流大导致发热严重，实际运行GIL一直处于发热状态，过高的温升不仅会降低载流能力也会影响内部材料绝缘性能，降低使用寿命和运行稳定性。因此，研究其发热机制和温度分布、建立精确的GIL多物理场耦合计算模型对于其运维检修、状态监测和优化设计均具有重要意义。基于此，本文以厦门ABB华电高压开关有限公司生产的550kV GIL为原型，利用MATLAB编程和COMSOL有限元仿真，研究GIL关键部件的各种场分布，为其发热评估提供理论基础和技术支持，增强其设备状态检修的针对性，提高系统运行可靠性。本文主要研究内容如下：　　①针对气体绝缘输电线路发热问题，分别采用解析法和有限元法建立了GIL标准直线段的多场耦合计算模型，分析了其热交换过程以及多物理场耦合方式，给出了其电磁热流迭代耦合的基本计算流程，对GIL在额定工况下的电磁场、流场、温度场进行了仿真分析与计算，并利用解析法速度快、物理量明确的优点，对全耦合、部分耦合以及不耦合的计算结果进行了对比分析。结果显示GIL管道内电场强度和磁场强度呈同心圆状分布，由内向外逐渐降低；而温度分布上高下低、左右对称。在温升计算中考虑多场耦合作用有利于大大提高计算精度。　　②针对GIL导体接头形状不规则、温升物理过程复杂、影响因素多的特点，以电接触理论为基础，分析了梅花触头的典型结构和接触压力计算，结合工程应用经验公式计算其接触电阻。然后根据收缩电阻理论对实际梅花触头的结构进行了一定的简化，在此基础上建立了GIL导体触头多物理场耦合三维计算模型，研究其运行工况下的各种场分布。结果显示触指与导体的接触面上电流发生了明显收缩，收缩电流形成了附加的接触电阻，最终接触电阻与收缩电流在触点上相互作用形成了集中的焦耳热源。由于接触热阻的存在，触点上的散热条件较差，最终触点温升要远高于导体温升。温度升高使触头材料受热膨胀，由于触指与导体和触头座间的相互约束，在触点附近承受较大的热应力，而远离触点部分发生了一定的热应变。　　③针对绝缘气体多元化的发展趋势，利用普遍适用的物理定律及经验公式，发展了一种通用的绝缘气体物性参数计算方法。据此分析了绝缘气体热物性参数随温度的变化关系，对比了相同条件下不同绝缘气体GIL的运行温升，从而研究影响绝缘气体对流换热能力的关键因素。结果表明：在相同负荷和环境条件下，绝缘气体改变不会影响外壳温度，但极大的影响导体温度；对于GIL绝缘气体而言，其导热系数、热容、密度越大则换热能力越好，动力粘度越大则换热能力越差。其中热容和密度对绝缘气体换热影响很大，而导热和粘度影响很小，据此定义体积热容为气体密度和热容之积，用其衡量绝缘气体换热能力表现出了极好的适用性。　　④针对传统解析法依赖于经验公式计算GIL损耗的局限性，通过理论推导改进了GIL母线损耗求解方法。据此提出了一种基于粒子群算法的母线尺寸优化方法，利用它对美国AZZ CGIT公司制造的550kV GIL的损耗和电场强度进行了优化计算，得到了使得其损耗最低的导体最佳厚度取值以及使得其内部场强最低的导体最佳内半径取值。仿真对比了优化前后的GIL温度分布及电场分布。结果表明，基于粒子群算法的母线尺寸优化方法计算速度快，实施简单，结果也较为准确。可以为GIL的优化设计提供一定参考。

目录

1 绪 论

1.1.1课题背景

1.1.2 研究意义

1.2.1 总体结构

1.2.2 设备元件

1.2.3 典型单元

1.3国内外研究现状

1.3.1 GIL国内外应用情况

1.3.2 GIL绝缘气体的研究与发展

1.3.3 GIL温升计算研究

1.4本文主要研究内容

2 GIL标准直线段温升计算

2.1引言

2.2解析法计算模型

2.2.1 热传递模型

2.2.2 热源

2.2.3 换热计算

2.3有限元计算模型

2.4实际工程计算

2.4.1 模型与求解域

2.4.2 电磁场-温度场耦合

2.4.3 流场-温度场耦合

2.4.4 多物理场耦合实现及求解过程

2.5结果分析与验证

2.5.1 电磁场计算分析

2.5.2 流场-温度场计算分析

2.5.3 计算结果验证

2.6小结

3 GIL导体触头接触电阻计算及热分析

3.1引言

3.2.1 电接触理论

3.2.2 触头接触电阻计算

3.3.1 控制方程与边界条件

3.3.2 导体触头的多场耦合

3.3.3 有限元建模与计算

3.3.4 计算结果与分析

3.4小结

4 GIL绝缘气体换热能力研究

4.1引言

4.2绝缘气体物性参数计算

4.2.1 密度计算

4.2.2 粘度计算

4.2.3 热容计算

4.2.4 导热系数计算

4.3不同绝缘气体的GIL温升计算对比

4.4绝缘气体换热能力影响因素分析

4.5小结

5 基于粒子群算法的GIL尺寸优化计算

5.1引言

5.2改进GIL损耗求解方法

5.3优化算法及流程

5.4.1 损耗优化计算

5.4.2 电场优化计算

5.4.3 考虑多目标的综合优化

5.5结果分析

5.6小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2工作展望

参 考 文 献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢