文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.001
0 引言
GIL作為當今世界先進的交流輸電技術，提供了一種緊湊、可靠、經濟的電力輸送方式用以取代常規架空線路和電纜。GIL氣體絕緣輸電管道母線是一種采用SF6氣體或SF6與N2混合氣體作為絕緣介質，外殼與導體同軸布置的高電壓、大電流電力傳輸設備。GIL是超高壓輸電系統中的一股新生力量，其結構形態與傳統的電力電纜完全不同，具有輸電容量大、電容值小、介質損耗小、占地面積小、安全可靠、使用壽命長等特點，使用場合比較廣泛，比如一些地形復雜、地勢落差大的地區[1-3]。
GIL系統的絕緣性能是確保其安全運行的重要條件。GIL設備在長時間使用過程中或者在過載、接觸不良等情況下，會有局部過熱現象出現，而且GIL在負載電流過大時會出現溫升過高的情況，最終會導致相鄰的絕緣部件性能惡化，甚至擊穿[4]。大部分情況下，電力系統發生事故的主要原因都與過熱問題有關。同時GIL的傳輸能力受到導體和隧道的溫度的限制[5-7]。由于隧道的溫度在導體溫度前達到了允許的極限，不得不降低隧道溫度以擴大電纜和GIL的傳輸能力。
因此，實現對GIL設備內部的溫度監測，提前發現熱故障隱患，在溫度發生異常時，及時作出決策，運用有限元方法預防事故的發生，對GIL系統的安全可靠運行具有重要意義。
1 GIL溫度監測方法
國外有電力公司起初研究并推廣GIL在線監測技術[8]，但是設備簡陋，技術方案不夠成熟，監控水平得不到保障。隨著計算機技術的快速發展，GIL在線監測主要方式有帶電測試、專用測試儀、計算機與傳感器和數字波形采集處理技術結合在線監測等。由于GIL安裝的復雜環境及其氣體密閉性要求，在對GIL溫度監測時，需要選用精密的溫度傳感器在GIL外殼處就地測量，遠程監控測試數據，最終利用計算機端實現GIL溫度在線監測。根據測試用傳感器的種類，GIL外殼測溫技術主要有熱電偶式溫度監測、熱敏電阻溫度監測和紅外線式溫度監測等。其中，熱電偶式和熱敏電阻式為接觸式測溫，而紅外線式為非接觸式測溫。
1.1 熱電偶式溫度監測
熱電偶溫度傳感器[9]的動態特性表示為輸入信號和輸出信號之間的微分方程，即待測溫度與測試溫度之間的線性關系。
其理論解為：T-T0=(Te-T0)(1-e)
式中，M為傳感器換熱部分的質量，kg；CP為傳感器材料的比熱容，J/(kg·℃)；T表示傳感器指示溫度，℃；t表示響應時間，s；h表示對流換熱系數，W/(m·℃)；A表示面積，m；Te表示環境階躍溫度，℃；T0表示傳感器初始溫度，℃；
熱電偶式溫度監測系統主要包括熱電偶、信號調理電路、ADR-120智能控制模塊及報警電路等部分。利用J型熱電偶信號調理電路AD594C內部的放大、冷端補償、冰點基準、溫差電偶故障報警等電路，減少實際熱電偶測溫過程中必須的補償、調零等步驟，減小誤差。ADR-120智能控制模塊可實現在線實時監控，將測量所得的溫度值處理之后，通過網絡接口將數據發布到總線上，傳至上位機進行數據處理與監控。
1.2 熱敏電阻式溫度監測
熱敏電阻[10]屬于半導體溫敏器件，其電阻值是溫度的函數，不同溫度下表現出不同的電阻值。它的主要特點有：靈敏度高，能檢測出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、穩定性好、過載能力強。但是溫敏電阻傳感器的線性度差，不能用于精密測量，應用過程中需要配置修正和補償裝置。
在GIL的外殼安裝熱敏電阻溫度傳感器，一般在主變壓器、發電機等主要設備的接口處設置外殼測溫點。此外由于GIL管廊敷設長度長，一般在一定間隔處便安裝一個溫度傳感器，監測全面。熱敏電阻的安裝座需要有效接地，并與GIL系統的接地點相同，防止外殼上的感應電壓影響測量值，保障操作人員的人身安全。
熱敏電阻式溫度監測系統包括熱敏電阻溫度變送器、A/D轉換器以及單片機、PC。系統通過熱敏電阻監測溫度，熱敏電阻兩端施加恒定電流，電阻兩端可得到電壓值，實現溫度信號到電壓信號的轉換。A/D轉換模塊將電壓信號轉換成數字信號，傳送到單片機處理，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，利用一個線性運算放大器實現在預定使用范圍內輸出電壓與溫度之間關系線性化。溫度監測系統。該系統可對溫度進行快速測量，并完成實時分析、處理、顯示等功能。
1.3 紅外線式溫度監測
紅外線[11]溫度傳感器是利用輻射熱效應，使探測器件接收輻射能量后引起溫度升高，進而使傳感器中一欄與溫度的性能發生變化，監測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。應用賽貝克效應，將器件接收的輻射轉換為一非電量的物理變化，或變化為電量后進行測量。
對于GIL導體及外殼的溫度監測，需要在主變壓器、發電機等設備及GIL的等距離間隔設置溫度監測點。由于紅外線式溫度監測屬于非接觸式測溫，適用于GIL導體的溫度監測?？紤]到GIL的SF6氣體密閉性特點，紅外式測溫探頭安裝在GIL的外殼上，但是GIL密封結構復雜，安裝探頭的工作不易進行，為此可以在GIL外殼上密封敷設有機材料，在有機材料外安裝紅外測溫探頭。同時需要注意，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測系統中智能數字顯示控制儀用作GIL系統現場監測，獲取溫度數據，提供報警功能；同時，顯示控制儀輸出的電流信號可傳輸至遠程監控端，并經通訊接口輸出到計算機客戶端進行監測。
紅外傳感器溫度監測具有測溫速度快、范圍廣、高精度、高靈敏度等特點，同時不會影響被測溫度場，被測對象限制小，對于微小的、運動的、遠距離的目標也可精確測量。但是應用紅外溫度監測，需要保證儀器鏡頭的情節，時刻防止電磁方面的干擾，這在實際操作運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，且溫升會導致GIL的熱伸縮現象[12-14]，因此準確計算由于導體及外殼內部功率損耗引起的溫升對于GIL產品設計及GIL管廊通風策略的選擇具有十分重要的意義。關于GIL熱問題的研究主要集中于GIL管道溫度場的分析。解析法[15-17]通過建立焦耳熱損耗與對流換熱以及熱輻射的熱平衡關系，迭代求解導體與外殼溫度；管廊GIL外殼和導體的溫度可經由傳遞的熱量通過傳統的公式計算分析而得。
計算輻射和自由對流的熱量傳遞，不考慮太陽輻射和風的存在。
式（2）計算從導體到外殼的熱量傳遞，式（3）計算從封閉導體到環境空氣的熱量傳遞。
式中，d1、d2、d3分別是外導體、內罩、外罩的直徑，值分別為0.2 m、0.5 m、0.52 m。ε1、ε2、ε3分別為導體外表面、外殼內表面、外殼外表面發射率，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，θph表示相導體溫度（℃），θen表示外殼溫度（℃），θamb表示環境溫度（℃）。
GIL導體和外殼的溫度計算采用如圖1所示的代表熱流的結網。
T1、T2、Ta分別表示導體溫度、外殼溫度和空氣溫度。C1、C2、C3分別表示導體比熱容、氣體比熱容和外殼比熱容（J/℃·m）；R1、R2分別表示導體與外殼之間的熱阻、SF6氣體與環境空氣之間的熱阻；W1、W2、W3表示導體功率損耗、外殼功率損耗、太陽輻射的熱增加（W/m）。
功率損耗的計算公式如下：
GIL導體和外殼的溫度變化可以由式（4）、（5）計算而得。
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GIL管廊的熱問題，進行GIL系統配置優化及多物理場耦合計算，控制GIL管廊的溫度變化。
3.1 GIL系統配置有限元模型
GIL管廊工程屬于地下電纜系統，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。絕緣材料所能承受的溫度由導體內部循環電流的持續時間決定。
外殼溫度限制了可自然冷卻的GIL系統的傳輸能力，導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，其中監測管道溫度是關鍵。
徑向溫度下降值與熱通量成正比時，推導出顯式載流量方程。因為氣體空間的傳熱遞主要通過輻射和對流的方式，所以有必要采用逐次逼近法確定容量。圖2為一個有自然冷卻系統的單相GIL的熱回路，其溫度差方程如下。
式中，Pc和Pp分別是在導體和管道中的熱源，Tp和Ta分別是管道和環境溫度；Rj和Re是護套和土壤的熱量抵抗力。
在VectorFieldTM OPERA-2D軟件中建模和模擬隧道中的2D GIL系統，有限元系統配置如圖3所示。仿真模型設置的元素，節點和區域的數量分別為108 870、54 681和43。所有邊界條件都設置為固定的導數類型。導體電流和GIL外殼電流取參考值，頻率取50 Hz，且迭代次數取735次。
有限元軟件對管廊中GIL進行建模仿真，結果表明GIL隧道可減少周圍的磁場，同時發現GIL外殼周邊的局部熱點，溫度梯度會加速腐蝕，從而熱效應有導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系統中必須通入冷卻氣流。模擬結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，可使GIL系統安全運行。圖3中所示的GIL管廊的配置方式是最好的，其管道中產生的渦流非常小，熱效應對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的GIL 電磁場、流體場以及溫度場耦合，迭代計算了與溫度相關的焦耳熱損耗，并將其按照單元映射方式耦合至溫度場進行溫升計算。采用多組分傳輸理論將SF6氣體與空氣的物性參數進行線性組合，并研究運行電流與環境溫度對GIL 溫升的影響。
（1）穩態電磁場數學模型
由于外殼磁導率與空氣接近，選取包括外部空氣在內的GIL橫截面為求解域。將具體模型參數與有限元求解電磁場的方法相結合，求解GIL二維電磁場邊值問題：
式（7）中，Ω表示整個求解域；Γ1表示第一類齊次邊界條件；μ表示磁導率；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導體與外殼單位長度的焦耳熱損耗為：
（2）溫度場物理模型
GIL溫度場的求解域與電磁場相同。GIL的熱量傳遞過程綜合了熱傳導、對流及輻射三種換熱方式。
①自然對流換熱
對GIL進行對流換熱分析時引入空氣層，則GIL溫度場求解域存在兩種不同物性參數的流體，為此采用流體多組分傳輸方法對兩種流體的物性參數線性組合，組合后的流體各物性參數由每個組分流體的物性參數及其質量分率決定：
式（9）中，α1表示SF6氣體密度、導熱系數或動力粘度；α2表示空氣的密度、導熱系數或動力粘度；Y1表示SF6氣體的質量分率；Y2表示空氣的質量分率；αf表示組合后流體的物性參數。
自然對流時，考慮瞬態流動，GIL換熱控制方程為：
式中，v表示氣體流速；t表示時間；f表示重力加速度，此處僅包含y軸分量；ρf、λf、ηf表示SF6與空氣混合氣體的密度、導熱系數和動力粘度。
②輻射換熱
GIL導體與外殼的輻射換熱量與其溫度及表面性質有關。兩個不同表面單元之間的輻射換熱量表達式為：
式中，ε表示表面發射率；Ai、Aj表示單元i與j的面積；Fij表示角系數；σ表示Stefan-Boltzmann常數。
通過流場-溫度場耦合計算，獲取導體與外殼的溫度及熱損耗，分析溫升的影響因素。
4 結論
在實際應用中，不同方法有不同的適應條件，測溫方法應根據實際應用條件、使用環境及成本來綜合選取。對于隧道中的GIL系統，進行GIL外殼測溫時，測溫探頭不得接地，且測溫探頭不能直接粘貼在外殼上進行測溫，同時也不能接觸GIL的導體，不破壞GIL的密封性。
熱電偶式溫度監測時，為了測量的準確性，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。鉆孔埋入法會損壞GIL的外殼，影響GIL內部的密封性；而膠粘法會使傳感器測量出的溫升偏低，造成測量不準確，且熱電偶測溫時存在測溫延遲，這樣對于GIL的溫度在線監測、報警及分析十分不利，因此，對于GIL導體及外殼測溫在線監測來說，不適宜選用熱電偶式溫度監測。同樣，熱敏電阻式測溫方式也不適用于GIL導體溫度的在線監測。
紅外線式溫度監測，其測量的范圍寬，屬于非接觸測量，且GIL內部沒有灰塵、煙霧、蒸汽，測量環境適合紅外線式溫度測量，可同時用于GIL外殼和導體溫度的測量。
對于GIL熱問題的解決，解析法更適合穩態問題的初步計算，但是當需要計算涉及電磁場和材料的熱特性的熱瞬態特性時，解析法存在很大的局限性，有限元法有一定的優越性。通過有限元法可以進行溫升計算，確定GIL的最優配置，控制GIL管廊溫度變化，減少甚至消除GIL系統的熱效應。
參考文獻
[1] 齊波, 張貴新, 李成榕, 等. 氣體絕緣金屬封閉輸電線路的研究現狀及應用前景[J]. 高電壓技術, 2015, 41(5): 1466-1473.
[2] BENATO B, MARIO C D, KOCH H. High-capability applications of long gas-insulated line in structures[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(1): 619-626.
[3] 屠幼萍, 袁之康, 羅兵, 等. 0. 4~0. 8 MPa氣壓下二元混合氣體SF6/N2和SF6/CO2露點溫度計算[J]. 高電壓技術, 2015, 41(5): 1446-1450.
[4] KURRER R, FESER K. The application of uitra-high—frequency partial discharge measurements to gas-insulated substations[J]. IEEE Transaction Power Delivery, 1998, 13(3): 777-782.
[5] KOCHH C. Turbulent natural convection and thermal behavior of cylindrical gas-insulated transmission lines (GIL) [C]. Power Engineering Society Summer Meeting. Washington D C, USA:IEEE, 2001:162-166.
[6] HILLERS T. Gas insulated transmission lines (GIL):ready for the real world[C]. Power Engineering Society Winter Meeting. Singapore:IEEE, 2000: 575-579.
[7] BENATO R, CARLINI E M, et al. Gas insulated transmission lines in railway galleries[C]. Power Tech, Russia: IEEE, 2005.
[8] 王堯. GIL溫度和局部放電在線監測技術及其應用[D]. 蘇州: 江蘇大學, 2009.
[9] 管維生, 張顯峰, 李玉民, 等. 熱電偶測溫技術在礦井防滅火中的應用[J]. 華北科技學院學報, 2005, 2(3): 31-33.
[10] 張小潔, 張文新. 單片機溫度監測系統[J]. 電氣傳動自動化, 2013(1):43-45.
[11] 魏翔. 氣體絕緣金屬封閉開關柜在線測溫系統設計[J]. 電工電氣, 2010(1): 51-54
[12] 王健, 陳超, 李慶民, 等. 基于熱力耦合分析的GIL熱致伸縮特性及其影響因素[J]. 高電壓技術, 2017, 43(2):429-437.
[13] TOSHIMICHI M, NOZOMI M, HIROSHI S, et al. The temperature rising characteristics of 275kV cables and GILs intunnels[C]. 2002 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2002(2): 1354-1359.
[14] BENATO R, DUGHIERO F, FORZAN M, et al. Proximity effect and magnetic field calculation in GIL and in isolated phase bus ducts[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2002, 38 (2): 781-784.
[15] 徐國政, 關永剛. GIS和GIL外殼環流及損耗的簡化分析和估算[J]. 高電壓技術, 2009, 35(2):247-249.
[16] BENATO R, DUGHIERO F. Solution of coupled electromagnetic and thermal problems in gas-insulated transmission lines[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39 (3): 1741-1744.
[17] 李冰, 肖登明, 趙謖, 等. 第二代氣體絕緣輸電線路的溫升數值計算[J]. 電工技術學報, 2017, 32(13):271-276.
[18] 吳曉文, 舒乃秋, 李洪濤, 等. 氣體絕緣輸電線路溫升數值計算及相關因素分析[J]. 電工技術學報, 2013, 28 (1): 65-72.
[19] ZHANG Y J, RUAN J, HUANG T, et al. Calculations oftemperature rise in air-cooled induction motorsthrough 3-D coupled electromagnetic fluid-dynamicaland thermal finite-element analysis[J]. IEEETransactions on Magnetics, 2012, 48(2): 1047-1050.
作者信息:
朱海峰1，柏 彬2，劉寅瑩2，黃云天2
（1.國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院，江蘇 南京 210008；
2.國網江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210008）