基于等效热路的GIS母线动态热模型研究

建立了126kVE相共箱式GIS母线等效热路模型,由于母线等效热阻与热容等集总参数未知,直接求解微分方程较为困难。采用有限元模型计算母线导体、SF6气体以及外壳的温升时间常数,通过数值拟合方法得出母线负荷电流与稳态温升的对应关系,尝试利用单个指数函数模拟母线各组件的温升过程。与不同负荷条件下有限元温升过程计算结果的对比表明．所提出的模型能够有效计算GIS母线正常运行条件下的温升过程。     

基于场路耦合有限元的三相共箱气体绝缘母线暂态电动力分析

基于瞬态场路耦合有限元理论建立了外部电压源激励下的三相共箱气体绝缘母线电路-电磁-结构场数值计算模型。采用顺序耦合方法将电磁场分析得到的节点电磁力作为载荷施加到结构场有限元模型中计算外壳的振动特性。通过将计算结果与镜像电流法和外壳振动测试结果进行对比验证该计算模型的有效性。基于该模型分析计算了工频稳态和不同短路故障条件下三相共箱气体绝缘母线电动力空间分布特性和时变特性,计算结果表明由于三相导体位于同一金属壳体内,短路故障类型将直接影响导体和外壳上电动力的分布特性。单相短路故障条件下气体绝缘母线导体短路电动力在幅值上要大于相间短路和三相短路且在时间上要早于相间短路和三相短路。计算模型和分析结果可用于三相共箱气体绝缘母线结构优化设计和短路故障监测。     

基于有限元法的气体绝缘输电线路热路模型分析

针对气体绝缘输电线路的传热特性,构建稳态热路模型求解外壳和导体温度,在稳态热路模型的基础上引入热容,并建立了简化的暂态热路模型,求解外壳和导体的暂态温升特性,通过实验数据和有限元仿真数据与模型的计算结果对比,验证了模型的精确性,为气体绝缘输电线路的温度预测提供了理论依据。     

等效热路在共箱隔离开关温升计算中的运用

隔离开关是气体绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear,GIS)的重要设备,而温升试验是其型式试验的关键环节之一。为了在开发阶段更准确地评估隔离开关运行在大电流工况下的温升,基于传热学原理,考虑集肤效应、接触电阻、散热阻抗等因素,并兼顾到三相共箱设计,提出了一种基于等效热路模型的计算方法。将计算结果和试验数据对比分析,结果表明,所提出的计算方法能相对准确地评估三相共箱隔离开关重点节点的温升,为新产品开发提供重要依据。     

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。     

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。     

不同装配结构的气体绝缘母线接头 温升数值计算

为有效监测GIL母线接头温升,建立水平、90°转角单元装配两种不同结构下,GIL母线接头位置包含外部空气在内的GIL母线接头电磁场、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,并将其按照区域映射至温度场、流体场进行温升计算。采用Boussinesq模型模拟GIL母线壳体内SF_6气体及空气的自然对流引起的温度场变化。利用该模型研究了运行电流及母线结构对GIL母线接头温升及外壳温升的影响,并对比了是否考虑气体自然对流时的温升计算结果。计算结果表明,气体对流作用下外壳内表面存在温度敏感点,结论为GIL设计和GIL母线接头温度监测提供了可靠的理论依据。     

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。     

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。     

基于等效热路模型的GIS隔离开关温升计算

隔离开关是电力系统中关键的一次设备。表征设备负载能力的温升,特别是GIS封闭式隔离开关温升的计算在工程上具有重要参考价值。针对GIS隔离开关的热计算,基于传热学基本原理,建立了220 k V三相共箱式SF_6隔离开关等效热路模型,给出了GIS外壳及导体表面的对流换热及辐射换热的计算公式,提出了针对其在运行工况下,考虑环境温度、接触电阻、负荷电流等因素的稳态热场计算方法,计算结果与FEM计算结果的对比分析表明,所提出的模型能有效、快速计算GIS隔离开关正常运行条件下的热点温升,为电力设备的动态增容提供重要参考。     

发热缺陷下GIS内部温度分布数值分析

通过使用数值分析的方法,主要针对GIS母线存在内部导体发热故障的情况进行温度场仿真分析。分别选取水平放置的220 kV单相母线和220 kV三相共箱母线导体作为研究对象,对导体存在发热缺陷的工况进行二维温度场分析,得到了不同工况下GIS壳体温度的分布规律。本文对GIS壳体的现场红外测温工作具有一定的参考意义。     

大电流封闭母线磁-流-热场耦合有限元分析

针对用解析法计算母线温升时存在的一些问题,笔者讨论了基于磁场-流场-热场耦合有限元分析的母线温升计算方法。首先计算母线的磁场和导体涡流分布,得到焦耳热源;然后基于流场-热场耦合的共轭传热模型,将前面计算得到的焦耳热加载为热源,进行温度场分析和温升计算。比较12500A大电流离相封闭母线的计算温升与该产品型式试验结果,误差小于2℃。该计算方法对于封闭母线的产品设计人员具有一定参考意义。     

三相GIS母线损耗发热的电磁场-流场-温度场计算分析

为深入研究三相气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,简称GIS)母线筒的损耗发热问题,运用有限元方法,建立了该类母线损耗发热的电磁场-流场-温度场综合求解模型,在综合考虑集肤效应、涡流损耗、气体流动、以及重力等多种因素影响的基础上,计算分析了该类母线的热源和温度分布规律。结果表明:GIS母线电流和损耗的分布都体现出集肤效应。对于水平放置的三相GIS母线,当三相电流对称时,上方母线导体温度高于下方母线导体,金属外壳的最高温度出现在离上方导体较近的上部壳体,且上方导体附近的气体等温线分布也呈现较为明显的S状弯曲,而位于下方导体周围的气体,其等温线扭曲程度相对较小。当电流对称性遭到破坏,则损耗和温度分布的对称性不复存在。     

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。     

内部导体结构对GIS母线损耗发热的影响

为研究内部导体结构对GIS母线的损耗发热的影响,运用有限元方法,以单相CIS母线为例,建立其损耗发热的电磁场-流场-温度场求解模型.在综合考虑集肤效应、涡流损耗、电导率温度效应、对流与辐射散热、以及重力加速度等多种因素影响的基础上,针对圆环、八边形、开缝圆环及开缝八边形等内部导体结构设计方案,计算分析了母线的热源和温度...     

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。     

离相气体绝缘母线温度场计算及其影响因素分析

离相气体绝缘母线的温升和散热性能是影响其工作稳定性的重要因素之一。笔者先通过涡流场计算得到导体及外壳的焦耳热损耗,然后将其作为体积热源,通过间接耦合方法再计算出母线温度场分布,进而与实验数据进行对比,验证温度场计算结果的正确性,最后分析环境温度、气体压强以及不同负荷电流对母线温度场分布的影响。所得出的结论对离相气体绝缘母线散热设计具有参考价值。     

基于热-流耦合场的大电流母排热场计算及影响因素分析

为确保小区供电可靠性及兼顾节能减排,需提高母排的自然散热能力,从而降低因强制散热而增加的能耗。考虑母排散热过程中的热场与流场的相互作用和影响,建立了相互耦合的共轭传热模型。采用有限元法对开关设备中敷设母排的三维温度场进行了计算和分析。基于该模型计算,分析了母排间距和环境温度2个因素对母排温度的影响规律。研究结果可为母排的节能散热及产品优化提供参考。