0 引言

    GIL作為當(dāng)今世界先進(jìn)的交流輸電技術(shù)，提供了一種緊湊、可靠、經(jīng)濟(jì)的電力輸送方式用以取代常規(guī)架空線路和電纜。GIL氣體絕緣輸電管道母線是一種采用S_F6氣體或SF₆與N₂混合氣體作為絕緣介質(zhì)，外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流電力傳輸設(shè)備。GIL是超高壓輸電系統(tǒng)中的一股新生力量，其結(jié)構(gòu)形態(tài)與傳統(tǒng)的電力電纜完全不同，具有輸電容量大、電容值小、介質(zhì)損耗小、占地面積小、安全可靠、使用壽命長等特點(diǎn)，使用場(chǎng)合比較廣泛，比如一些地形復(fù)雜、地勢(shì)落差大的地區(qū)^[1-3]。

    GIL系統(tǒng)的絕緣性能是確保其安全運(yùn)行的重要條件。GIL設(shè)備在長時(shí)間使用過程中或者在過載、接觸不良等情況下，會(huì)有局部過熱現(xiàn)象出現(xiàn)，而且GIL在負(fù)載電流過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫升過高的情況，最終會(huì)導(dǎo)致相鄰的絕緣部件性能惡化，甚至擊穿^[4]。大部分情況下，電力系統(tǒng)發(fā)生事故的主要原因都與過熱問題有關(guān)。同時(shí)GIL的傳輸能力受到導(dǎo)體和隧道的溫度的限制^[5-7]。由于隧道的溫度在導(dǎo)體溫度前達(dá)到了允許的極限，不得不降低隧道溫度以擴(kuò)大電纜和GIL的傳輸能力。

    因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIL設(shè)備內(nèi)部的溫度監(jiān)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)熱故障隱患，在溫度發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)作出決策，運(yùn)用有限元方法預(yù)防事故的發(fā)生，對(duì)GIL系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

1 GIL溫度監(jiān)測(cè)方法

    國外有電力公司起初研究并推廣GIL在線監(jiān)測(cè)技術(shù)^[8]，但是設(shè)備簡陋，技術(shù)方案不夠成熟，監(jiān)控水平得不到保障。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，GIL在線監(jiān)測(cè)主要方式有帶電測(cè)試、專用測(cè)試儀、計(jì)算機(jī)與傳感器和數(shù)字波形采集處理技術(shù)結(jié)合在線監(jiān)測(cè)等。由于GIL安裝的復(fù)雜環(huán)境及其氣體密閉性要求，在對(duì)GIL溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，需要選用精密的溫度傳感器在GIL外殼處就地測(cè)量，遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試數(shù)據(jù)，最終利用計(jì)算機(jī)端實(shí)現(xiàn)GIL溫度在線監(jiān)測(cè)。根據(jù)測(cè)試用傳感器的種類，GIL外殼測(cè)溫技術(shù)主要有熱電偶式溫度監(jiān)測(cè)、熱敏電阻溫度監(jiān)測(cè)和紅外線式溫度監(jiān)測(cè)等。其中，熱電偶式和熱敏電阻式為接觸式測(cè)溫，而紅外線式為非接觸式測(cè)溫。

1.1  熱電偶式溫度監(jiān)測(cè)

    熱電偶溫度傳感器^[9]的動(dòng)態(tài)特性表示為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的微分方程，即待測(cè)溫度與測(cè)試溫度之間的線性關(guān)系。

    其理論解為：T-T₀=(T_e-T₀)(1-e)

    式中，M為傳感器換熱部分的質(zhì)量，kg；C_P為傳感器材料的比熱容，J/(kg·℃)；T表示傳感器指示溫度，℃；t表示響應(yīng)時(shí)間，s；h表示對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；A表示面積，m；T_e表示環(huán)境階躍溫度，℃；T₀表示傳感器初始溫度，℃；

    熱電偶式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括熱電偶、信號(hào)調(diào)理電路、ADR-120智能控制模塊及報(bào)警電路等部分。利用J型熱電偶信號(hào)調(diào)理電路AD594C內(nèi)部的放大、冷端補(bǔ)償、冰點(diǎn)基準(zhǔn)、溫差電偶故障報(bào)警等電路，減少實(shí)際熱電偶測(cè)溫過程中必須的補(bǔ)償、調(diào)零等步驟，減小誤差。ADR-120智能控制模塊可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，將測(cè)量所得的溫度值處理之后，通過網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)布到總線上，傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控。

1.2  熱敏電阻式溫度監(jiān)測(cè)

    熱敏電阻^[10]屬于半導(dǎo)體溫敏器件，其電阻值是溫度的函數(shù)，不同溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。它的主要特點(diǎn)有：靈敏度高，能檢測(cè)出6~10℃的溫度變化；工作溫度范圍寬、體積小、電阻值可在0.1~100 kΩ間任意選擇、穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。但是溫敏電阻傳感器的線性度差，不能用于精密測(cè)量，應(yīng)用過程中需要配置修正和補(bǔ)償裝置。

    在GIL的外殼安裝熱敏電阻溫度傳感器，一般在主變壓器、發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備的接口處設(shè)置外殼測(cè)溫點(diǎn)。此外由于GIL管廊敷設(shè)長度長，一般在一定間隔處便安裝一個(gè)溫度傳感器，監(jiān)測(cè)全面。熱敏電阻的安裝座需要有效接地，并與GIL系統(tǒng)的接地點(diǎn)相同，防止外殼上的感應(yīng)電壓影響測(cè)量值，保障操作人員的人身安全。

    熱敏電阻式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括熱敏電阻溫度變送器、A/D轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)、PC。系統(tǒng)通過熱敏電阻監(jiān)測(cè)溫度，熱敏電阻兩端施加恒定電流，電阻兩端可得到電壓值，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送到單片機(jī)處理，最終在PC上顯示溫度值。熱敏電阻溫度變送器用于改善熱敏電阻線性度差的特性，利用一個(gè)線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)在預(yù)定使用范圍內(nèi)輸出電壓與溫度之間關(guān)系線性化。溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)溫度進(jìn)行快速測(cè)量，并完成實(shí)時(shí)分析、處理、顯示等功能。

1.3  紅外線式溫度監(jiān)測(cè)

    紅外線^[11]溫度傳感器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)器件接收輻射能量后引起溫度升高，進(jìn)而使傳感器中一欄與溫度的性能發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)其中某一性能的變化，便可探測(cè)出輻射。應(yīng)用賽貝克效應(yīng)，將器件接收的輻射轉(zhuǎn)換為一非電量的物理變化，或變化為電量后進(jìn)行測(cè)量。

    對(duì)于GIL導(dǎo)體及外殼的溫度監(jiān)測(cè)，需要在主變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備及GIL的等距離間隔設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于紅外線式溫度監(jiān)測(cè)屬于非接觸式測(cè)溫，適用于GIL導(dǎo)體的溫度監(jiān)測(cè)?？紤]到GIL的SF₆氣體密閉性特點(diǎn)，紅外式測(cè)溫探頭安裝在GIL的外殼上，但是GIL密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝探頭的工作不易進(jìn)行，為此可以在GIL外殼上密封敷設(shè)有機(jī)材料，在有機(jī)材料外安裝紅外測(cè)溫探頭。同時(shí)需要注意，紅外探頭安裝座、密封板和GIL外殼三者須緊密焊接，GIL外殼可靠接地。

    紅外線傳感器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中智能數(shù)字顯示控制儀用作GIL系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取溫度數(shù)據(jù)，提供報(bào)警功能；同時(shí)，顯示控制儀輸出的電流信號(hào)可傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控端，并經(jīng)通訊接口輸出到計(jì)算機(jī)客戶端進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

    紅外傳感器溫度監(jiān)測(cè)具有測(cè)溫速度快、范圍廣、高精度、高靈敏度等特點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)影響被測(cè)溫度場(chǎng)，被測(cè)對(duì)象限制小，對(duì)于微小的、運(yùn)動(dòng)的、遠(yuǎn)距離的目標(biāo)也可精確測(cè)量。但是應(yīng)用紅外溫度監(jiān)測(cè)，需要保證儀器鏡頭的情節(jié)，時(shí)刻防止電磁方面的干擾，這在實(shí)際操作運(yùn)用過程中存在一定的難度。

2  解析法

    GIL的最大載流能力與溫升密切相關(guān)，且溫升會(huì)導(dǎo)致GIL的熱伸縮現(xiàn)象^[12-14]，因此準(zhǔn)確計(jì)算由于導(dǎo)體及外殼內(nèi)部功率損耗引起的溫升對(duì)于GIL產(chǎn)品設(shè)計(jì)及GIL管廊通風(fēng)策略的選擇具有十分重要的意義。關(guān)于GIL熱問題的研究主要集中于GIL管道溫度場(chǎng)的分析。解析法^[15-17]通過建立焦耳熱損耗與對(duì)流換熱以及熱輻射的熱平衡關(guān)系，迭代求解導(dǎo)體與外殼溫度；管廊GIL外殼和導(dǎo)體的溫度可經(jīng)由傳遞的熱量通過傳統(tǒng)的公式計(jì)算分析而得。

    計(jì)算輻射和自由對(duì)流的熱量傳遞，不考慮太陽輻射和風(fēng)的存在。

    式（2）計(jì)算從導(dǎo)體到外殼的熱量傳遞，式（3）計(jì)算從封閉導(dǎo)體到環(huán)境空氣的熱量傳遞。

    式中，d₁、d₂、d₃分別是外導(dǎo)體、內(nèi)罩、外罩的直徑，值分別為0.2 m、0.5 m、0.52 m。ε₁、ε₂、ε₃分別為導(dǎo)體外表面、外殼內(nèi)表面、外殼外表面發(fā)射率，值分別為0.1、0.1、0.8。氣壓P=7.231 kgf/cm²；常量K₀=16.8，混合80/20%的N₂/SF₆氣體；常量K2=2.75，θ_ph表示相導(dǎo)體溫度（℃），θ_en表示外殼溫度（℃），θamb表示環(huán)境溫度（℃）。

    GIL導(dǎo)體和外殼的溫度計(jì)算采用如圖1所示的代表熱流的結(jié)網(wǎng)。

    T₁、T₂、T_a分別表示導(dǎo)體溫度、外殼溫度和空氣溫度。C₁、C₂、C₃分別表示導(dǎo)體比熱容、氣體比熱容和外殼比熱容（J/℃·m）；R₁、R₂分別表示導(dǎo)體與外殼之間的熱阻、SF₆氣體與環(huán)境空氣之間的熱阻；W₁、W₂、W₃表示導(dǎo)體功率損耗、外殼功率損耗、太陽輻射的熱增加（W/m）。

    功率損耗的計(jì)算公式如下：

    GIL導(dǎo)體和外殼的溫度變化可以由式（4）、（5）計(jì)算而得。

3  有限元法

    有限元法^[18-19]通過建立GIL管廊工程的有限元模型，可針對(duì)GIL管廊的熱問題，進(jìn)行GIL系統(tǒng)配置優(yōu)化及多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，控制GIL管廊的溫度變化。

3.1  GIL系統(tǒng)配置有限元模型

    GIL管廊工程屬于地下電纜系統(tǒng)，其載流容量—電流額定值，取決于降溫裝置提取從電纜中釋放出來的熱量并散布在周圍的土壤和大氣中的能力。電纜的最大工作溫度則與高溫操作情況下絕緣材料可承受的最大損壞有關(guān)。絕緣材料所能承受的溫度由導(dǎo)體內(nèi)部循環(huán)電流的持續(xù)時(shí)間決定。

    外殼溫度限制了可自然冷卻的GIL系統(tǒng)的傳輸能力，導(dǎo)體與管道外殼之間有少許溫度差。所以外殼溫度必須受到限制，否則不能干燥土壤并提高其熱阻率，其中監(jiān)測(cè)管道溫度是關(guān)鍵。

    徑向溫度下降值與熱通量成正比時(shí)，推導(dǎo)出顯式載流量方程。因?yàn)闅怏w空間的傳熱遞主要通過輻射和對(duì)流的方式，所以有必要采用逐次逼近法確定容量。圖2為一個(gè)有自然冷卻系統(tǒng)的單相GIL的熱回路，其溫度差方程如下。

    式中，P_c和P_p分別是在導(dǎo)體和管道中的熱源，T_p和T_a分別是管道和環(huán)境溫度；R_j和R_e是護(hù)套和土壤的熱量抵抗力。

    在VectorField^TM OPERA-2D軟件中建模和模擬隧道中的2D GIL系統(tǒng)，有限元系統(tǒng)配置如圖3所示。仿真模型設(shè)置的元素，節(jié)點(diǎn)和區(qū)域的數(shù)量分別為108 870、54 681和43。所有邊界條件都設(shè)置為固定的導(dǎo)數(shù)類型。導(dǎo)體電流和GIL外殼電流取參考值，頻率取50 Hz，且迭代次數(shù)取735次。

    有限元軟件對(duì)管廊中GIL進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明GIL隧道可減少周圍的磁場(chǎng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)GIL外殼周邊的局部熱點(diǎn)，溫度梯度會(huì)加速腐蝕，從而熱效應(yīng)有導(dǎo)致封閉性腐蝕的可能。因此，為了防止這種局部加熱和外殼損壞，GIL系統(tǒng)中必須通入冷卻氣流。模擬結(jié)果還提供了管道和電纜的最佳位置，其具有最弱的電磁感應(yīng)，可使GIL系統(tǒng)安全運(yùn)行。圖3中所示的GIL管廊的配置方式是最好的，其管道中產(chǎn)生的渦流非常小，熱效應(yīng)對(duì)管道的影響是可以忽略的。

3.2  GIL多組分傳輸有限元模型

    IL多組分傳輸有限元模型包含外部空氣在內(nèi)的GIL 電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)以及溫度場(chǎng)耦合，迭代計(jì)算了與溫度相關(guān)的焦耳熱損耗，并將其按照單元映射方式耦合至溫度場(chǎng)進(jìn)行溫升計(jì)算。采用多組分傳輸理論將SF₆氣體與空氣的物性參數(shù)進(jìn)行線性組合，并研究運(yùn)行電流與環(huán)境溫度對(duì)GIL 溫升的影響。

    （1）穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

    由于外殼磁導(dǎo)率與空氣接近，選取包括外部空氣在內(nèi)的GIL橫截面為求解域。將具體模型參數(shù)與有限元求解電磁場(chǎng)的方法相結(jié)合，求解GIL二維電磁場(chǎng)邊值問題：

    式（7）中，Ω表示整個(gè)求解域；Γ₁表示第一類齊次邊界條件；μ表示磁導(dǎo)率；A表示矢量磁位；J表示電流密度。

    考慮到電阻率隨溫度變化，GIL導(dǎo)體與外殼單位長度的焦耳熱損耗為：

    （2）溫度場(chǎng)物理模型

    GIL溫度場(chǎng)的求解域與電磁場(chǎng)相同。GIL的熱量傳遞過程綜合了熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種換熱方式。

    ①自然對(duì)流換熱

    對(duì)GIL進(jìn)行對(duì)流換熱分析時(shí)引入空氣層，則GIL溫度場(chǎng)求解域存在兩種不同物性參數(shù)的流體，為此采用流體多組分傳輸方法對(duì)兩種流體的物性參數(shù)線性組合，組合后的流體各物性參數(shù)由每個(gè)組分流體的物性參數(shù)及其質(zhì)量分率決定：

    式（9）中，α₁表示SF6氣體密度、導(dǎo)熱系數(shù)或動(dòng)力粘度；α₂表示空氣的密度、導(dǎo)熱系數(shù)或動(dòng)力粘度；Y₁表示SF6氣體的質(zhì)量分率；Y₂表示空氣的質(zhì)量分率；α_f表示組合后流體的物性參數(shù)。

    自然對(duì)流時(shí)，考慮瞬態(tài)流動(dòng)，GIL換熱控制方程為：

    式中，v表示氣體流速；t表示時(shí)間；f表示重力加速度，此處僅包含y軸分量；ρ_f、λ_f、η_f表示SF6與空氣混合氣體的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度。

    ②輻射換熱

    GIL導(dǎo)體與外殼的輻射換熱量與其溫度及表面性質(zhì)有關(guān)。兩個(gè)不同表面單元之間的輻射換熱量表達(dá)式為：

    式中，ε表示表面發(fā)射率；A_i、A_j表示單元i與j的面積；Fij表示角系數(shù)；σ表示Stefan-Boltzmann常數(shù)。

    通過流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合計(jì)算，獲取導(dǎo)體與外殼的溫度及熱損耗，分析溫升的影響因素。

4  結(jié)論

    在實(shí)際應(yīng)用中，不同方法有不同的適應(yīng)條件，測(cè)溫方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件、使用環(huán)境及成本來綜合選取。對(duì)于隧道中的GIL系統(tǒng)，進(jìn)行GIL外殼測(cè)溫時(shí)，測(cè)溫探頭不得接地，且測(cè)溫探頭不能直接粘貼在外殼上進(jìn)行測(cè)溫，同時(shí)也不能接觸GIL的導(dǎo)體，不破壞GIL的密封性。

    熱電偶式溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要在外殼上用鉆孔埋入法和膠粘法將傳感器固定在母線的外殼上。鉆孔埋入法會(huì)損壞GIL的外殼，影響GIL內(nèi)部的密封性；而膠粘法會(huì)使傳感器測(cè)量出的溫升偏低，造成測(cè)量不準(zhǔn)確，且熱電偶測(cè)溫時(shí)存在測(cè)溫延遲，這樣對(duì)于GIL的溫度在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警及分析十分不利，因此，對(duì)于GIL導(dǎo)體及外殼測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)來說，不適宜選用熱電偶式溫度監(jiān)測(cè)。同樣，熱敏電阻式測(cè)溫方式也不適用于GIL導(dǎo)體溫度的在線監(jiān)測(cè)。

    紅外線式溫度監(jiān)測(cè)，其測(cè)量的范圍寬，屬于非接觸測(cè)量，且GIL內(nèi)部沒有灰塵、煙霧、蒸汽，測(cè)量環(huán)境適合紅外線式溫度測(cè)量，可同時(shí)用于GIL外殼和導(dǎo)體溫度的測(cè)量。

    對(duì)于GIL熱問題的解決，解析法更適合穩(wěn)態(tài)問題的初步計(jì)算，但是當(dāng)需要計(jì)算涉及電磁場(chǎng)和材料的熱特性的熱瞬態(tài)特性時(shí)，解析法存在很大的局限性，有限元法有一定的優(yōu)越性。通過有限元法可以進(jìn)行溫升計(jì)算，確定GIL的最優(yōu)配置，控制GIL管廊溫度變化，減少甚至消除GIL系統(tǒng)的熱效應(yīng)。

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作者信息:

朱海峰1，柏  彬2，劉寅瑩2，黃云天2

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；

2.國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210008）