论文摘要
气体绝缘组合电器GIS通过将变电站除变压器以外的一次设备（断路器、隔离开关、电压互感器PT、电流互感器CT、母线）封闭在充有SF6绝缘气体的金属筒体内来降低绝缘间距和减小变电站占地面积。GIS与常规气体绝缘变电站AIS相比具有节约用地、运行可靠性高和抵抗环境变化干扰能力强等优点,因而近年在我国电力系统中得到广泛应用。但随着早年投运GIS设备的老化和新设备设计安装时的缺陷,GIS母线接头过热性故障时有发生且呈上升趋势,严重时导致接头烧毁并对外壳或邻近导体放电引发短路事故,威胁电力系统的安全稳定运行,且事故处理必须对GIS设备解体维修,供电恢复时间和环境污染程度均远大于常规变电站,因此开展GIS母线接头过热性故障的研究分析具有重大的工程意义和经济效益。本文针对GIS母线接头过热性故障的基础研究与机理分析,采用电接触理论和多场耦合有限元方法分别对GIS母线接头接触电阻和接触温升进行了计算验证；通过研究负荷电流变化、短路电流冲击、环境温度变化、接触电阻劣化、导体对接深度不足条件下GIS母线接头的温升,提出了GIS母线接头过热性故障的故障机理。在GIS母线接头接触电阻计算方面,首先分析了不同结构GIS母线接头的机械结构和接触压力计算,通过对接触力学的相关理论与算法的研究,分别采用基于光滑宏观弹性接触的Hertz接触模型,基于粗糙表面接触的Greenwood模型和Bahrami模型计算了GIS母线梅花接头的接触面积,并根据Holm收缩电阻理论计算了GIS母线接头的接触电阻。将不同模型计算结果与产品设计经验公式和现场测试结果进行了对比分析,结果表明基于粗糙表面接触的Bahrami模型能够更加真实的反映GIS母线接头的物理现象,接触电阻的计算值更加接近现场回路电阻测试结果。合适的GIS母线接头接触电阻计算方法,为后续进行GIS母线接头温升计算提供了必要的输入参数。在GIS母线接头接触温升的计算方面,首先分析了电流传导、热力学和固体力学的有限元基本理论和计算过程,系统介绍了多场耦合有限元算法的矩阵耦合与载荷传递方法,在此基础上建立了基于电-热-结构耦合的GIS母线接头温升计算模型。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。该计算模型能够反映GIS母线接头电-热-结构多场耦合作用对母线接头接触温升的影响,从而能够考虑母线接头接触电阻和接触温升的动态变化特性。为了验证该计算模型的正确性,设计并委托生产厂家试制用于原型温升实验三相共箱GIS母线物理模型,在中国电科院武汉高压研究所电缆室户内实验场地进行不同负荷电流作用下温升实验,实验结果与计算结果具有较好的一致性。说明该计算模型可以准确的计算不同接触压力和不同负荷电流作用下的GIS母线接头温升,为开展GIS母线过热性故障的分析和监测提供了一种新的手段。在GIS母线接头过热性故障机理研究方面,采用GIS母线接头的多场耦合有限元计算模型,综合分析研究了负荷电流变化、接触电阻劣化以及短路冲击条件下的GIS母线接头温升,特别研究了导体插入深度对GIS母线接头温升的影响。研究结果表明负荷电流、正常范围内的接触电阻劣化以及短路电流冲击均不会造成母线接头的热损伤而导致母线接头过热性故障的发生。在对国内多起GIS母线接头烧毁事故的实际案例分析的基础上,研究了导体对接深度不足时的GIS母线接头温升,研究结果表明,导体对接深度不足时,GIS母线接头温升异常,完全可能导致过热性故障发生。为进一步深入研究GIS母线接头过热性故障机理奠定了基础。基于多场耦合有限元的GIS母线接头温升的分析计算和过热性故障机理的研究为GIS母线接头过热性故障的机理分析和在线监测提供了理论依据,对于消除GIS母线接头的过热性故障,保障GIS设备的安全运行和电力系统的稳定具有现实意义。