气体绝缘输电线路温升数值计算及相关因素分析

气体绝缘输电线路(GILs)的温升计算对于其可靠性设计与运行状态监测具有重要意义。为了提高GIL温升计算的精度,建立了包含外部空气在内的GIL电磁场、流体场以及温度场耦合计算的有限元模型。迭代计算了与温度相关的焦耳热损耗,并将其按照单元映射方式耦合至温度场进行温升计算。采用多组分传输理论将SF6气体与空气的物性参数进行线性组合,实现了单一模型中存在不同流体时的换热分析。利用该模型研究了运行电流与环境温度对GIL温升的影响。对比了是否考虑气体非线性热物性参数以及变化表面对流换热系数时的温升计算结果。通过实验验证了有限元计算结果的正确性,该模型与结论为GIL设计与导体运行温度监测提供了可靠的理论依据。     

基于流体多组分传输的气体绝缘母线温度场数值计算与分析

气体绝缘母线的工作状态与其散热性能以及温升直接相关。建立了有限元模型计算母线导体焦耳热损耗以及外壳涡流损耗,根据流体力学理论,采用流体多组分传输模型计算母线流场与温度场分布。利用单元映射方法实现涡流场、流场以及温度场的间接耦合,综合考虑母线与其内部绝缘气温度变化特性。针对分相封闭母线及共相封闭母线两种不同母线结构稳态与瞬态温度场进行数值计算,分析了母线与气体及外部空气边界的对流与辐射换热效应、流体物性参数随温度变化特性。针对分相封闭母线及共相封闭母线两种不同母线结构稳态与瞬态温度场进行数值计算,分析了母线与气体交界面对流与辐射换热量的比例关系、传热系数分布以及母线温升随电力负荷与时间的变化过程。通过对比计算结果与传统工程算法、单组分分析方法以及实验结果,验证了该模型的正确性。     

气体绝缘母线热计算及其影响因素分析

气体绝缘母线的散热性能研究是母线设计及状态检测的重要环节。分别建立了分相及三相共箱式母线涡流场、流体场以及温度场有限元分析模型,将涡流场分析得到的焦耳热损耗作为热源间接耦合至流体场与温度场。进行温升计算时,考虑了对流与辐射换热过程中流体密度、导热系数以及动力粘度随温度变化的特性。通过确定换热边界条件,求解出不同结构母线的温度场分布,与实验数据的对比验证了计算结果的正确性。应用此热计算模型研究了环境温度、气体压强以及负荷电流对不同结构母线温度场分布的影响,所得出的结论对于母线设计及其运行期间的状态检测具有一定的参考意义。     

户内气体绝缘输电线路温升数值计算模型的研究

气体绝缘输电线路(GIL)载流量与温升密切相关,因此准确的温升计算对于GIL产品设计具有重要意义。建立了电磁场分析模型,计算出户内GIL导体与外壳功率损耗,并以该损耗作为热分析的体积热源。基于计算流体力学原理,将空气层引入求解区域,建立了GIL流体-温度场耦合有限元分析模型,并给出了基本假设与边界条件。利用该模型分别分析了不同负荷电流条件下的GIL稳态温升值以及阶跃负荷条件下的瞬态温度变化过程。温升计算结果与实测数据的对比证明了本文模型的有效性,所提出的方法为GIL热分析提供了参考。     

基于相似模型的气体绝缘母线接头过热失效模拟

为研究气体绝缘母线(GIB)接头过热性故障的形成、发展过程,开展了母线接头的过热性失效模拟试验。受原型试验条件、试验时间及试验成本等因素的限制,采用相似模型进行物理模拟试验研究。通过对气体绝缘母线接头的温升现象进行相似性分析,推导了涡流-流体-热场相似关系,设计并试制了气体绝缘母线的相似模型,给出了模型的几何条件、物理条件和边界条件,并通过数值计算和物理模拟试验验证了模型的有效性。基于该模型进行气体绝缘母线接头温升特性和过热失效的试验研究,观察了母线接头接触不良情况下发热直至熔化的物理过程并监测了接头的温度变化。     

环境因素影响下气体绝缘输电线路温升过程数值模拟

为了全面了解气体绝缘输电线路(Gas-insulated Transmission Lines,GILs)的温升特性,基于计算流体力学原理,建立了GIL流体场以及温度场耦合有限元分析模型,给出了求解域内相应的假设条件与边界条件,利用该模型分别分析了变化环境温度、风速以及日照等环境因素作用下GIL的温升变化过程,在分析过程中迭代计算等效表面对流换热系数或热流密度边界.将温升过程的计算结果与实测结果进行对比分析,结果表明不同运行环境下GIL的温升特性存在一定差异,结论对于了解复杂运行条件下GIL的温升变化特点提供了方法和依据.     

环境因素影响下GIL温升特性的仿真计算分析

为研究不同环境因素对架空敷设式气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)温升特性的影响,建立电磁场-热场-流场多物理场耦合计算模型,进而分析了不同环境因素影响下GIL外壳和导体温度变化特征、外壳外表面的对流换热系数变化及不同负载GIL温升受环境因素影响的差异性。结果表明:风速与GIL温降的关系是非线性的,风速在0～3 m/s时,外壳和导体的温度下降较快,当风速高于3 m/s时,外壳和导体温度随风速增加下降速度越来越小,最终导体温度趋于稳定值,外壳温度逐渐接近于环境温度,当风速相同时,GIL负荷电流越大,导体和外壳温降速度越大;太阳辐射强度对GIL温升的影响基本呈线性关系,且太阳辐射强度对外壳温升的影响更明显,太阳辐射强度相同时,导体和外壳的温升差随负载电流的增加而减小;导体和外壳温度与环境温度基本呈等斜率线性关系。     

封闭母线接头温度场分布的数值分析

作为电力传输设备,封闭母线接头处的发热温升和散热问题是影响其工作稳定性的重要因素之一。在构建封闭母线接头简化结构模型的基础上,结合热量传递的3种基本方式：导热、对流及辐射,建立了封闭母线接头温度场数学模型;利用有限容积法对封闭母线接头温度场数学模型进行离散化处理,并建立了离散化方程;通过三对角阵算法迭代求解出封闭母线接头处内外温度分布。通过试验验证了所建立模型的正确性,从而利用该模型可以准确监测封闭母线接头内外温度分布。     

三种绝缘气体下开关设备的温度场及流场对比与分析

基于热传导微分方程、流体运动控制方程及辐射换热方程,建立了开关设备的传导、对流和辐射换热相互耦合的数学模型,并采用壁函数法处理对流换热边界条件。利用棱边单元法计算了考虑集肤效应、邻近效应及涡流效应下载流导体和外壳的焦耳热损耗。以某型号开关设备为对象,采用有限容积法和六面体网格,分别计算分析SF6、N2、空气中开关设备的三维温度场与气流场,从温升角度探讨空气、N2作为SF6替代气体的可行性。计算结果表明,三种气体中温度分布基本相同,温升大小表现为SF6气体内的最高,N2内与空气内的差别不大;三种气体中的气流速度大小顺序也表现为相似的规律。从温升角度考虑,在满足绝缘条件的前提下,空气、氮气具有替代SF6的可行性。     

第二代气体绝缘输电线路的温升数值计算

气体绝缘输电线路(GIL)以其良好的性能在全世界范围内得到了一定应用。绝缘气体的散热性能和GIL的温升效应是GIL设计和在线监测的重要环节。本文通过建立包含外部空气域在内的模型,运用有限元法对采用20%SF_6-80%N_2混合气体绝缘的第二代GIL进行了温升仿真计算,得到第二代GIL的整体温度分布以及导体和外壳温升,并与解析法得到的温升情况进行对比,证明了所提方法的有效性;同时对影响第二代GIL温升的相关因素进行了仿真分析,为第二代GIL的进一步应用提供了参考。     

27.5kV GIS母线室三维温度场的数值计算

基于热传导微分方程、流体运动控制方程及辐射换热方程,建立了传导、对流和辐射换热相互耦合的数学模型,并采用壁函数方法处理固体与流体界面的对流换热问题,对27.5kV GIS(gas-insulated switchgear)开关柜母线室的三维温度场和气流场进行了数值计算与分析。仿真中采用了六面体网格剖分,通过有限容积法对方程进行离散求解,得到了母线室内的三维温度场与气流场的分布。计算结果表明,三工位隔离开关为温度最高部位,气体的对流使得母线室内温度趋于均匀并使载流回路的散热效果得到了加强。进行了相关的温升实验,温度的数值计算结果与实验结果吻合,表明了计算方法的正确性。     

基于多场耦合计算的气体绝缘开关设备母线接头过热性故障分析

为了研究气体绝缘开关设备(GIS)母线接头的过热性故障形成机理,基于多场耦合有限元法建立了GIS梅花接头温升计算模型。该模型通过对结构场分析计算触指与导体间的接触电阻(ECR)与接触热阻(TCR),运用电流传导分析计算了功率损失并作为热源代入温度场计算接头温升。进行了稳态电流温升实验,验证了所提出计算模型的有效性。基于该模型分析了导体插入深度与短路负荷电流对GIS母线接头温升的影响,结果表明短路负荷电流由于作用时间短而不会造成母线接头的热损伤,导体对接深度不足引起的接触点异常温升是导致GIS母线接头过热性故障的直接原因。     

气体绝缘开关设备母线接头过热失效的相似模型

气体绝缘开关设备(gas-insulated switchgear,GIS)母线接头过热失效由开始发展到形成的时间较长,直接采用母线原型开展故障过程模拟试验缺乏客观现实性。为了再现GIS母线接头的过热失效过程,根据过热失效所包含的功率损耗、气体流动以及温升现象的数学模型,利用相似学原理推导了涡流–流体–热耦合场的相似关系,并对其进行了合理简化和修正,以提高相似模型的实用性,设计了GIS母线的局部相似模型,给出了模型的几何条件、物理条件和边界条件。利用三维有限元法分别计算了母线原型与相似模型涡流场及温度场,将电流密度及温度分布的计算结果进行对比,验证了相似建模的有效性。     

气体绝缘输电线路温升特性有限元分析

由于气体绝缘输电线路(Gas-Insulated transmission Lines,GIL)的载流能力与温度相关,本文提出了一种基于有限元分析的GIL温升计算方法。为了研究GIL的负荷电流、气体压强、绝缘气体类型以及导体直径四种参数对GIL温升的影响,建立了二维电磁场分析模型,根据流体力学理论,建立了温度场分析数学模型,并给出了模型求解域及边界条件。利用有限元法迭代求解数学模型,获得了在不同参数下的GIL稳态温度场分布,并探讨不同参数对GIL温度变化的成因、变化趋势以及影响,为GIL的参数优化提供了参考。对比实验数据与模型的仿真结果,验证了模型的有效性。     

GIL管廊通风温度场研究

文中以1 100 kV GIL管廊母线通风散热为研究对象,采用流体力学商用计算软件Fluent建立了流—热耦合场数学模型;运用有限元法对流—热耦合场进行三维数值计算,得到了管廊内流体场与温度场分布规律。研究结果可为GIL管廊母线的通风散热设计提供参考。     

HFO-1336mzz(E)应用于气体绝缘输电线路的温升特性研究

为得到新型环保气体HFO-1336mzz(E)应用于气体绝缘输电线路(GIL)中的温升特性，本文基于有限元方法建立磁场-传热场-流体场多物理耦合模型，仿真分析额定工况下GIL内部温度场分布，并研究缓冲气体类型、填充气压、混合比和运行电流对GIL温升的影响。结果表明：额定工况下GIL内部的温度场呈现上高下低的温度梯度分布规律，其中A相导体的温升比B相导体的温升高0.70℃，接地外壳的温升最小。在相同条件下，HFO-1336mzz(E)/CO₂混合气体中导体的温升仅比HFO-1336mzz(E)/N₂混合气体中的温升低0.38℃，考虑到HFO-1336mzz(E)气体分解后固体析出物的影响，选择CO₂作为缓冲气体比N₂更为合适。提高填充气压和混合比均能降低导体的温升，填充0.70 MPa的10%HFO-1336mzz(E)/90%CO₂混合气体导体的温升仅比填充0.50 MPa纯SF₆的温升高5.02℃。GIL导体和接地外壳的温升均随着运行电流的增大而增大，并...     

开关柜温度-流体场优化计算研究

针对开关柜温度-流体场计算量大、精度低等问题,从网格控制、边界条件及热源计算3个方面对其进行优化计算。首先提出了基于后验误差估计的网格修正方法,实现网格高效加密并减少冗余,在相同计算精度的条件下,所得网格的单元量仅为传统整体加密法的32.3%;通过建立开关柜外流场模型确定开关柜外壳截断边界,代替依赖经验的人工取值方法,得到无通风自然对流环境下外壳的对流换热系数为0.4～1.4 W/(m~2·℃);进一步建立了开关柜电磁-温度-流体耦合计算模型,利用涡流场求解开关柜内热源分布,充分考虑交流热源、接触热源、涡流损耗对温度场的影响。将上述方法应用到KYN28A-12kV/630A开关柜的温升计算中,并与试验结果进行了对比,仿真与试验最大相对误差3.43%,证明了方法的有效性。     

GIS隔离开关触头温升多场耦合数值计算与分析

GIS隔离开关触头过热性故障严重危害设备的可靠运行,为实现对GIS隔离开关触头温升和过热性故障的监测,建立了包含触头的GIS隔离开关的三维涡流-流体-温度多场耦合数值计算模型,用一段电阻率可变的导体来模拟触头部位的接触电阻,通过电磁场分析计算GIS隔离开关各个部位的电流密度和功率损耗,将功率损耗作为热源载荷代入流体-温度场耦合计算模型计算导体和外壳的温度场分布。基于该模型研究了GIS隔离开关触头温升反演规律及影响因素,结果表明A、B相触头与外壳温升存在1∶0.215的对应关系,C相触头与外壳温升存在1∶0.165的对应关系,研究成果可为开展GIS隔离开关的温升监测提供理论依据与技术支持。     

基于相似理论与准则关联式的气体绝缘母线电磁场－温度场综合模拟

针对原型气体绝缘母线(GIB)温升试验耗时长且成本高的不足,提出一种基于相似理论与准则关联式的电磁场-温度场综合模拟方法。借助控制方程组与准则关联式建立温升过程中功率损耗、对流传热以及辐射传热的数学模型,通过相似分析推导出GIB多物理场的温升相似准则,并设计相似模型。利用有限元方法对比不同负荷电流下,原型GIB与相似模型的导体与外壳的电流密度、功率损耗、对流传热系数以及温度分布,并与温升试验数据进行对比分析,验证了所提模拟方法的有效性。     

单相共筒式SF6气体绝缘装置母线温度场计算

以4 kA单相GIS母线为研究对象,根据发热机理通过建立数学模型分析了该GIS母线的温度场分布;建立有限元模型计算母线的涡流损耗,并将损耗结果间接耦合至温度场与流场.分析结果显示,在单相GIS母线中温度场呈对称分布,最低温度出现于外壳底部,最高温度出现在母线导体顶端,导体正上方位置SF6气体流速最高,导体下方流体流速接近于零.仿真结果与实验室数据的对比验证了计算的准确性.最后,模拟故障情况,分析了不同接触电阻情况下母线外壳温度分布的变化状况,为GIS母线温度在线监测提供了参考.