论文摘要
气体绝缘母线是电力系统输配电环节的关键设备之一,承担着电能传输的重要任务,其故障将直接导致电网大面积停电,造成巨大的经济损失和社会影响,严重威胁电力系统的安全与稳定运行。触头接触劣化引起的过热故障是气体绝缘母线最为常见的故障类型之一。发生接触劣化缺陷时,母线触头温度急剧上升,接触劣化程度进一步加剧,从而形成恶性循环,过高的温升导致触头熔焊,最终发生短路故障。因此,为了避免灾难性事故的发生,在气体绝缘母线投运后,需要对其开展过热状态监测。论文重点从温升数值计算方法、母线三维温度场分析、母线原型温升实验以及母线温升监测方法四个方面展开研究,为三相共箱式气体绝缘母线过热状态监测提供了理论依据和新方法。主要研究工作如下：气体绝缘母线电阻率与温度相关,其温度场计算属于多物理场耦合分析问题。建立了气体绝缘母线三维正弦稳态涡流场A,Φ-A法数学模型,并采用伽辽金法进行有限元离散,给出了求解域边界条件以及适合多物理场分析的网格划分方法。针对触头接触电阻难以模拟的问题,模型中合理简化了触头结构,将触头接触电阻等效为串联在触头与导电杆之间的电阻,并对其进行实体模型。为了提高计算精度,考虑了母线电导率随温度的变化关系,采用多物理场迭代计算的方法得出气体绝缘母线电流密度以及热损耗分布。计算结果表明,触头接触损耗约占母线整体功率损耗的40%,不能忽略触头功率损耗对母线温度场的影响。提出了基于多组分传输原理的温升数值计算方法,考虑气体热物性参数的温度相关性,将空气层引入气体绝缘母线流体-温度场耦合分析模型的求解区域,同时求解包含母线内部绝缘气体与外部空气在内的流动换热问题,无需在外壳表面施加对流换热边界条件,避免了对流换热系数的反复求解,使得边界条件更为简单。与解析法、传统单组分有限元热分析模型以及实验结果的对比证明了该方法能够更加真实地反映母线内外的流动与换热情况,而且计算结果更加准确。母线外壳表面对流换热系数的分布表明了传统分析方法的局限性。所提出的模型为具有复杂外部结构的电力设备温度场计算提供了一种新方法。考虑触头部分的功率损耗,建立了气体绝缘母线三维流体-温度场耦合数值分析模型,给出了模型边界条件,计算了母线温度场分布,表明了触头对于母线温度场分布的关键影响以及三维热分析模型的必要性。利用该模型研究了环境温度、负荷电流以及触头接触电阻对母线温升的影响,为气体绝缘母线过热状态监测方法的建立奠定了基础。进行了三相平衡与不平衡负荷电流条件下气体绝缘母线原型物理模型温升实验,通过将温升实验结果与数值计算结果进行对比分析,验证了气体绝缘母线三维流体-温度场耦合分析模型的有效性以及触头接触电阻等效处理方法的合理性,同时也表明三相负荷电流不平衡度较低时,可以忽略负荷不平衡对母线温度场分布的影响。对实验数据进行了分析,确定了母线触头温升与外壳温升之间的定量关系。分析了不同过热位置与负荷电流条件下外壳表面温度场的分布特点,据此确定了气体绝缘母线温升状态监测时外壳表面温度传感器的最佳布局,并建立了母线过热故障判别与诊断方法。分析结果表明,通过在外壳表面与A、C相触头相对应的测点位置安装温度传感器能够有效检测三相触头中的任意相过热故障,以外壳整体温升、母线长度方向温差以及温度场分布的对称性为判据能够对母线内部触头过热故障进行判别与定位。所得出的结论为气体绝缘母线过热状态监测提供了技术支持。