直流气体绝缘输电线路盆式绝缘子温度分布特性研究

林令淇

（国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）由断路器、隔离开关、互感器、避雷器、母线和连接件等组成。气体绝缘输电线路（Gas Insulated Transmission Line，GIL）由母线、绝缘子、绝缘气体和外壳等组成。GIS和GIL 因其节省空间、易于维护、对环境不敏感等优点在电力系统中得到了广泛的应用［1-5］。通常GIL和GIS母线设计成同轴结构，中央为铝圆柱形导体，并由铝合金外壳封闭，二者之间填充SF6或SF6/N2等绝缘气体。此外，盆式、盘式、支柱式等环氧复合绝缘子固定在母线内部，作为支撑和绝缘介质［6］。

正常运行时，由于GIL 或GIS母线导体内部流过数千安培电流，导杆产生的焦耳热［7-8］将会加热绝缘气体、导体、外壳和绝缘子。如果设备结构设计不合理，导致设备出现过热，这将对设备的长期运行造成严重后果，如绝缘子加速老化和线路断裂等［9-11］。随着新能源技术的发展，我国直流输电的系统规模不断扩大，所以针对直流GIL 进行仿真［12］。随着高压直流输电技术的发展，高压直流GIS和高压直流GIL越来越受关注。环氧复合材料的电导率随温度的变化而变化［13］，因此在研究绝缘子电场分布特性时应考虑绝缘子温度梯度的影响。另外，研究表明绝缘子表面电荷积聚也会对其电场分布造成影响，导致局部场强畸变，并且电荷积聚将会受到绝缘子温度的影响［14］。因此，针对高压直流输电系统，应分析GIS和GIL的温度分布特性，包括气体和绝缘子的温度分布规律。

由于GIS/GIL 内部温度分布难以通过实验测量，研究人员多采用仿真模拟的方法分析其温度分布特性。H.Koch 等人对水平布置的GIL 内部自然对流特性进行了数值分析，研究了瑞利数和半径比对内部传热和气流场特性的影响［15］。另外，研究人员采用磁热耦合有限元分析方法研究了涡流对GIS 母线温升的影响。B.Novák 等采用有限元仿真方法，分析了涡流对三相GIS母线温度分布的影响［16］。Y.P.Tu等人分析了环保型绝缘气体GIL中的温度分布特性，并将其与SF6进行了对比［17］。但这些仿真研究均忽略了绝缘子对设备传热特性和温度分布的影响，并且这些研究多采用二维中心旋转对称方式建立模型。而大多数GIL 间隔和GIS 母线采用水平方式布置，考虑到流体运动和浮力的影响，这种条件下温度分布并不是旋转对称结构。因此，需要采用三维结构模型开展仿真研究，以获得气体和绝缘子的三维温度分布特性。

以水平放置的200 kV 带盆式绝缘子的GIL 为基础，建立了三维温度场仿真模型。分析了直流电流作用下GIL 内部的温度和气流场分布特性；研究了气体压力、环境温度和负载电流对气体和绝缘子温度分布的影响规律；最后讨论了温度梯度对绝缘子电场分布的影响规律。

1 仿真模型

1.1 几何结构

所采用GIL 的几何结构如图1 所示，参数如表1所示。由于GIL 水平放置，流体运动和传热特性应呈左右对称分布，图1 中将GIL 竖直截面定义为对称面，并且此截面为绝热面。因此，仿真模型可以简化为原来几何模型的一半。这样既可以减少大量的网格，又不会对计算精度产生影响。研究表明，采用此种简化方法，可以减少大约50%的内存和70%的计算时间。

图1 GIL几何模型

表1 GIL参数

1.2 数学模型

当电流流过铝导体时，导杆产生的焦耳热将按照如下方程计算：

式中：P为导体发热功率；I为负载电流；R为直流电阻；L为导体长度；Scond为导体截面积；σAl为导体电导率。

本模型中，通过热传导为：

式中：ρ为密度；Cp为恒压比热容；q为传导热通量；qr为辐射热流；κ为导热系数；T为绝对温度；Q为额外热源，对于绝缘子和气体来说，此项为0。

热辐射是指物体在一定温度下发出的电磁波。在本文中，热辐射包括绝缘子表面对外壳内表面的辐射，绝缘子表面对导体表面的辐射，导体表面对外壳内表面的辐射，以及外壳外表面对周围空气的辐射。设所有表面均为非透明，辐射为：

式中：eb（T）为所有波长的辐射功率；n1为折射率；σSB为Stefan-Boltzmann 常数；G为入射辐射热流；ε为表面发射率。

腔体内部除了传导和辐射之外，第三种传热机制是对流。采用单相流体Navier-Stokes 方程描述GIL内部SF6气体流动，方程定义为：

式中：u为速度矢量；p为气体压力；μ为气体动力粘度；g为重力矢量。

其中，式（6）为质量守恒方程，式（7）为能量守恒方程，式（8）为动量守恒方程。

进行仿真计算前需要估计流体的状态，采用的判断依据为格拉晓夫数Gr，通过估算，得出结果Gr＞109，认为流体处于湍流状态，采用湍流模型。常用的湍流模型有k-ε湍流模型和剪切应力传输模型（Shear Stress Transfer，SST）。对这两种湍流模型进行了对比分析，最终采用SST湍流模型。

虽然k-ε湍流模型因其良好的鲁棒性而广泛应用于湍流流场仿真分析，但此模型在处理近壁面区域时精度较差，这将导致气体/绝缘子界面温度分布不连续，用此模型无法得到比较满意的温度场和气流场分布结果。而SST 在低雷诺数条件下处理近壁面区域具有较好的效果，因此GIL 内部自然对流采用SST湍流模型进行计算。

2 结果与讨论

2.1 绝缘子温度分布特性

当负载电流为3 150 A，环境温度为20 ℃，SF6压力为0.5 MPa 时，绝缘子的表面温度分布如图2 所示。绝缘子两侧温度分布基本类似。微米氧化铝填料的高导热性，绝缘子用的环氧复合材料的热导率约为1 W/（m·K），因此绝缘子温度从中心导杆到外法兰呈近似圆环逐渐降低。由于SF6气体被导体加热，在浮力作用下热气体向上流动，GIL内上半部气体温度高于下半部气体温度。因此，绝缘子上半部温度比下半部温度高。

图2 绝缘子表面温度分布特性

对GIL 内部气流场分布特性进行了研究，结果如图3 所示。图3 分别给出了GIL 截面气流分布特性以及靠近绝缘子两侧的气流分布特性。从图中可以看出，气体在两个不同的方向循环流动。导体对周围气体加热导致导体表面附近气体向上流动，并沿对称面向上运动至外壳顶部。然后，气体沿着外壳内表面向下到达外壳底部，并沿对称面向上运动至导体下表面，完成循环。通过这种方式，气体对绝缘子实现了加热。循环的方向如图3 中黑色箭头所示，为了清楚的表示方向，箭头仅代表方向。

图3 不同截面SF6气体流速分布特性

同时，气体在屏蔽罩处被加热并向外壳顶部运动，之后流向盆式绝缘子，形成循环。另外，部分气体向盆式绝缘子流动，然后沿绝缘子/外壳界面的边界向下流动，如图3 所示。由于靠近绝缘子凹面的气体流动较弱，因此绝缘子凸面处的表面温度较高。

2.2 气体压力对温度分布的影响

为了分析SF6压力对温度分布特性的影响，仿真中分别把SF6压力设置为0.4 MPa、0.5 MPa 和0.6 MPa。图4 以0.4 MPa 和0.6 MPa 条件下盆式绝缘子表面温度分布为例，图中左侧为绝缘子凸面温度分布，右侧为绝缘子凹面温度分布。仿真设置负载电流为3 150 A，环境温度为20 ℃。结果表明，在不同气体压力条件下，凹凸表面的温度都呈现相似分布特性。从中心导杆到外法兰温度呈圆环状逐渐下降，并且绝缘子上半部温度较高。

图4 不同气体压力条件下绝缘子温度分布特性

另外，随着气体压力的增加，盆式绝缘子的温度逐渐降低。而气体传热相关参数和气压有关，气压不同传热的效率不同，所以盆面的最高温度不同。类似的，Y.Qiao 等人［18］的仿真结果表明，随着气体压力增加，中心导杆温度逐渐降低。这是由于随着压力从0.4 MPa 增加到0.6 MPa，气体密度从25.2 kg/m3增加到38.9 kg/m3，恒压比热容从0.677 J/（kg·K）增加到0.69 J/（kg·K），密度与比热的乘积随之增加。可知，单位体积热容的增加对气体对流换热产生了促进作用，导致最终绝缘子温度下降。

2.3 环境温度对温度分布的影响

考虑到GIL 的应用地域和气候季节变化对环境温度的影响，分别研究了环境温度为10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃条件下GIL 温度分布特性。设置负载电流为3 150 A，SF6压力为0.5 MPa，绝缘子沿面温度分布结果如图5 所示。横轴代表绝缘子沿面上任意一点到导杆的距离，从中心导杆到外壳距离逐渐增加。由图5 可知，在不同环境温度条件下，绝缘子表面温度从中心高压电极到外部接地屏蔽均呈下降趋势。

另外，随着环境温度升高，绝缘子表面温度几乎呈线性增加。王健等人［19］仿真也得到类似的结果，即随着环境温度升高，导杆温度呈现近似线性升高趋势。

外壳外表面的自然对流散热为

式中：κe为外壳热导率；n为界面处法向量；h为外壳与周围空气之间自然对流系数；Te和Ta分别为外壳温度和周围空气温度。

不同环境温度条件下凸面12 点方向的绝缘子温度分布特性如图5所示。

图5 不同环境温度条件下绝缘子温度分布特性

由图5 可知，随着环境温度的升高，外壳外表面自然对流换热几乎呈线性减小，而导体产生的热量保持不变。因此，GIL的整体温度呈线性增加。

2.4 负载电流对温度分布的影响

研究负载电流分别为2 500 A、3 150 A和4 000 A条件下绝缘子温度分布特性。设置环境温度为20 ℃，SF6压力设置为0.5 MPa。不同负载电流条件下绝缘子温度分布特性如图6所示。

图6 不同负载电流条件下绝缘子温度分布特性

由图6 所示，随着负载电流增加，绝缘子表面温度分布呈现由内到外温度降低趋势，且绝缘子上部温度升高，其凸面温度高于凹面温度。随着负载电流增加，由于导杆焦耳热增加，而散热几乎不变，因此绝缘子温度升高，随着电流增加，高压电极的最高温度与外壳的最低温度之间的温差增大。

在GIL 内部，由载流导致的发热对温升起到了主导作用。GIL 内部SF6自然对流随着电流的增加变化不大，而焦耳热随着载流增加显著增大，从而导致作为热源的导体温升更加明显。因此，在开展GIL 或GIS 母线结构设计时应注意高负载电流条件设备内部温升情况，以避免高温导致的环氧复合材料绝缘子加速老化。此外，高温也会加剧电场畸变和电荷积累，这将提高长期运行时设备绝缘失效的风险，因此应该重点关注。

2.5 热梯度对电场分布的影响

研究温度梯度对绝缘子电场分布特性的影响。考虑到绝缘子电导率随温度变化特性，电场仿真时，绝缘子随温度变化的电导率取自L.Zavattoni 测量的结果［20］。仿真中，在中心导杆处施加200 kV 正极性直流高压，可以获得温度梯度场作用下绝缘子电场分布特性。温度分布结果对应的运行条件为：负载电流3 150 A，环境温度20 ℃，气体压力为0.5 MPa。同时，计算不考虑温度梯度影响的绝缘子电场分布结果作为参考，电场分布云图如图7所示。

从图7 中结果可以看出，由于绝缘子电导率随温度呈指数变化，无论是绝缘子凹面还是凸面，温度梯度场对电场分布特性均有较大影响。相对于不考虑温度梯度场的影响，温度梯度场作用下，绝缘子凹面靠近低压屏蔽处的电场明显增大，而绝缘子凸面整体电场均出现明显增大。因此，在评估直流GIL 绝缘特性时，应考虑温度梯度场对绝缘子以及气体绝缘的影响，以获得更加准确的结果。

图7 温度梯度场作用下绝缘子电场分布特性

3 结语

采用有限元方法研究了水平布置的直流GIL 内部盆式绝缘子三维温度场分布特性，结论如下：

1）由于环氧树脂复合材料优异的导热性能，绝缘子的温度从中心导体到外壳呈现圆环状降低趋势。同时，由于自然对流的作用，盆式绝缘子上半部温度较高，并且其凸面温度略高于凹面温度。

2）随着SF6压力增大，单位体积热容增加，对流特性得到改善，绝缘子温度下降。随着环境温度升高，绝缘子温度呈线性升高趋势。随着负载电流增加，绝缘子高低温温差逐渐增大，绝缘子整体温升明显上升。

3）考虑到绝缘子温度梯度分布的影响，绝缘子表面电场强度，尤其其凸面电场强度明显增加。因此，对于长期运行的直流GIL，应特别注意其在高负载电流、不同天气、不同季节下的绝缘性能。