CN111597748A - 一种基于gil热特性实现故障判定的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于GIL热特性实现故障判定的方法，属于GIL异常诊断领域。建立有限元模型，用多物理场耦合方法，得到壳体温度值；其次，通过公式计算非故障运行时壳体的温度变化率，计算故障状态下电流变化引起的壳体温度异常变化率；在GIL壳体外表面安装红外传感器测量温度，可实现监测温度变化率的目的。本发明是通过利用有限元仿真及现场试验数据，容易实现；经有限元仿真模型分析，确定故障状态时壳体温度变化率的范围，在GIL系统出现异常时都可以实现故障判定。其有效判别其是否运行在正常状态，从而对GIL进行全面评估，满足实际工程的需求，加强GIL系统的可靠性和安全性。

Description

一种基于GIL热特性实现故障判定的方法

技术领域：

本发明涉及一种基于GIL热特性实现故障判定的方法，属于GIL母线异常发热故障判定领域使用。

背景技术：

随着高压交流输电建设的发展，GIL在特高压输电、核电、离岸大规模风电等工程中有越来越重要的作用，温度变化率特性的研究对其安全稳定运行具有重要意义。GIL导体的焦耳热损耗产生的热量使其温度升高，同时热交换使绝缘气体升温，加上GIL壳体感应电流热损耗与涡流热损耗，引起导体、壳体和内部绝缘气体温度的升高，因此GIL设备温度是判断GIL是否正常运行的重要技术指标，且GIL承载电流常常达到数千安培，所以对GIL温度变化率分析从而实现GIL故障判定是十分必要的，可以大大提高GIL运行的可靠性。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种在考虑有限元分析以及夺取立场耦合计算的基础上，通过电磁计算和温度计算得到壳体温度，以计算壳体温度变化率，提出基于GIL热特性实现故障判定的基于GIL热特性实现故障判定的方法。

为实现上述技术目的，本发明的基于GIL热特性实现故障判定的方法，其具体步骤如下：

步骤1：建立GIL母线的有限元仿真模型，有限元仿真模型涉及焦耳热损耗，包含电磁场、温度场、流体场的多物理场耦合模型，在GIL母线的有限元仿真模型的基础下计算出额定工况下GIL母线的非故障状态下壳体温度值与故障状态下壳体温度值；

步骤2：分别计算出非故障状态时GIL母线有限元仿真模型温度变化率的平均值以及范围，以及故障状态时GIL母线温度变化率的范围，这两种状态下变化率的值就作为GIL母线运行状态判断依据，可对实时采集数据进行判断。

步骤3：通过安装在GIL母线壳体上的红外测温传感器分段采集所需要的温度数据，将所监测的GIL母线分成不同的数据采集线段，利用红外测温传感器对每个线段的温度进行采集并分别记录；

步骤4：将传感器采集到的GIL母线壳体温度进行计算，得到GIL母线壳体实时的温度变化率，与仿真得到GIL母线非故障状态的壳体温度变化率和故障状态的壳体温度变化率作对比，判别GIL母线运行是否处于正常状态，如果实时温度变化率在非故障状态温度变化率范围内，则判定此时GIL母线正常运行；如果实时温度变化率在故障状态温度变化率范围内，则判定此时GIL母线发生故障，如果都不在这两个温度变化率范围内，则采集下一时刻温度在进行一次判断，若第二次仍不在两个范围内则按故障处理。

在GIL母线稳定运行时，非故障线段的负载电流不会在短时间内有较大波动，因此GIL母线壳体温度比较稳定，温度变化率Δθ的值较小且稳定，一般取稳定运行m时刻开始的n组数据的平均值，非故障线段壳体温度变化率计算公式如下：

式中，T_k为非故障GIL母线线段的壳体温度值，单位℃；ΔT_k为某时刻非故障线GIL母线段壳体温度变化率，单位℃；t为非故障GIL母线线段壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为温度变化率取值的时间间隔，单位s

所述步骤S3中，GIL母线的故障线段分析，当GIL母线出现绝缘气体击穿时，会发生单相接地故障，此时电流突增，导致温度变化率Δθ′突然增加，假设故障时刻为h，故障线段壳体温度变化率计算公式如下：

ΔT′＝T′_k(h+1)-T′_k(h)

Δt＝t_(h+1)-t_(h)

式中，T′_k为故障线段壳体温度变化值，单位℃；Δt为时间间隔，单位s。

所述步骤S4中，GIL母线包括多个不同的气室，不同气室之间各自封闭，无气体流动，所述GIL母线在多个气室的划分下形成温度数据采集的线段，包括补偿线段、直线线段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段，GIL母线中的的每个线段均设有红外测温传感器，以采集每一个线段的壳体外表面温度数据。

有益效果：

本发明将GIL母线合理分段，有利于数据的采集，提高故障判定范围的精准度，同时针对温度变化提出计算温度变化率来判定GIL故障，极大的提高了GIL运行的可靠性。通过计算和分析非故障线段温度以及故障线段温度，给出额定工况下非故障运行时壳体温度变化率的范围以及故障运行时壳体温度变化率的范围，有助于温度监测系统对GIL运行状态进行评估；通过使用红外测温传感器，实时监测GIL的壳体外表面温度值，计算实时壳体温度变化率，对比数据库中的非故障运行时壳体温度变化率的范围以及故障运行时壳体温度变化率，可以实时判断GIL是否处于故障状态。

附图说明

图1为本发明的基于GIL热特性实现故障判定流程图；

图2为本发明的单相接地故障壳体温度变化图；

图3为本发明的多物理场耦合流程图。

图4为本发明的红外测温传感器分布示意图。

图5为本发明的在线温度监测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明：

本实施例提供一种基于GIL热特性实现故障判定的方法，用于判定GIL因故障导致异常发热，以实现基于温度变化率判定GIL故障。

如图1所示，基于GIL热特性实现故障判定的步骤如下：

a建立有限元模型，利用包含电磁场、流体场以及温度场的多物理场耦合计算方法迭代求解数学模型，计算出的温度指标包括GIL运行中的焦耳热损耗、导体外表面与外壳内表面之间的热辐射量，GIL壳体内部热量与外表面之间的热传导量，壳体外表面与周围空气之间的自然对流或强制对流与辐射换热方式进行的热传递量，具体步骤是：

a1电磁场数值计算

GIL导体和壳体上产生的焦耳热损耗是温度场计算的热源，故首先通过电磁场方程组分析求解焦耳热损耗。

求解电磁场主要是依靠麦克斯韦提出的方程组，包括安培环路定律、高斯磁通定律、高斯电通定律、法拉第电磁感应定律，其积分表达式如下:

因为

和

都与求解域中的介质特性有关，因此麦克斯韦方程组需要补充描述介质性质的方程，方程如下：

式中：ε为介电常数；μ为磁导率；σ电导率。上述方程构成求解电磁场的基本方程，给定电流和电荷，结合定解条件即可求得电磁场各物理量。

焦耳热损耗是壳体和导体热损耗之和。导体焦耳热损耗计算时，由于壳体接地的屏蔽作用，导体邻近效应系数为1且阻抗较小，因此不考虑不平衡电流对计算的影响，只需考虑集肤效应。考虑到温度对材料电阻率的影响，导体或壳体电阻可表示为

ρ_m(T)＝ρ₂₀[1+α₂₀(T-293.15)] (7)

式中，R_i为导体或外壳电阻，Ω/m；K_f为集肤效应系数；ρ_m(T)为导体或壳体材料电阻率；S_i为导体或壳体的横截面积，m²；ρ₂₀为导体或壳体材料在20℃时的电阻率；α₂₀为导体或壳体材料在20℃时的电阻温度系数；T为热力学温度。

壳体热损耗计算时，由于工频电流的电磁感应，壳体中会出现两种感应电流，即由于壳体接地引起的壳体环流和壳体横截面内的涡流。全连式结构的涡流损耗在工程计算中可以忽略。当GIL长度超过20米，壳体电磁感应环流应取为导体通入电流的有效值，且与导体额定电流方向相反。导体与壳体单位体积下的焦耳热损耗可用式(8)、(9)表示：

式中：P_dv、P_kv为单位体积焦耳热功率，W/m³；I_d为导体电流，A；I_k为壳体感应电流，当GIL长度小于20米时，取I_k＝0.95I_d，长度大于20米时，取I_k＝I_d，A；R_d、R_k为式(6)所求电阻值，Ω/m；S_d、S_k为导体和壳体的横截面面积，m²。

a2温度场数值计算

GIL热交换过程

Q_kF为壳体热辐射散热量，Q_kD为壳体空间自然对流散热量，Q_dF为导体热辐射散热量，Q_dD为导体自然对流散热量，Q_kcd为壳体内部热传导热量。热量传递过程综合了热传导、对流传热以及热辐射三种传热方式。

热传导

傅立叶方程描述热传导，热流密度指单位时间内通过物体单位截面的热量，热流量密度与温度的负梯度成正比表明热传导过程服从热力学第二定律，如(10)所示。

式中，q_n为热流密度，W/m²；常数k_n为导热系数或热传导率，是表征材料导热性能的参数，W/(m·k)；

为物体表面法线方向的温度梯度，K/m。

自然对流传热

本专利所述流体均为气体，自然对流传热的牛顿冷却公式表达式为：

q＝hΔt (11)

式中，Δt为壁面温度与流体温度的温差，约定永远取正值，K；h为对流换热系数，W/(m²·K)。

热辐射

辐射方式传递的热量为：

Φ＝ε₁A₁σ(T₁ ⁴-T₂ ⁴) (12)

式中，Φ为辐射换热量，W；A₁为表面1的面积，m²；T₁，T₂为表面温度，K；ε₁为物体1的表面发射率；σ为黑体辐射常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·k⁴)。

固体域传热方式为热传导，而流体域传热以对流和辐射为主，内部绝缘气体流速较低时，温度场计算必须考虑到热辐射的影响。

b通过电磁场以及其温度场的计算，可获得壳体温度T_k，在稳定运行时温度变化极小，温度变化率趋于稳定值，计算非故障状态下壳体温度变化率，为使温度变化率更精准，计算时选取n组数据求平均值，并将n组数据中温度变化率最小值设为非故障状态温度变化率取值范围的下限，将n组数据中温度变化率最大值设为非故障状态温度变化率取值范围的上限，设m时刻GIL处于非故障运行状态计算公式如下。

式中，T_k为非故障线段壳体温度值，单位℃；ΔT_k为某时刻非故障线段壳体温度变化率，单位℃；t为非故障线段壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为温度变化率取值的时间间隔，单位s。

非故障线段壳体温度变化率范围为(Δθ_nl，Δθ_nr)。

c当三相分箱式GIL的某一相发生故障，导体电流突增，导体与壳体温度变化幅度增加，计算故障状态下壳体温度变化率，计算时选取温度增加幅度最大的数据求变化率，作为故障状态下壳体温度变化率的取值上限，选取温度增加幅度最小的数据求变化率，作为故障状态下壳体温度变化率的取值下限，则处于此范围内的温度变化率都为故障状态。

假设h时刻前后壳体温度增加幅度最大，壳体温度变化率的取值上限计算公式如下：

ΔT_max′＝T′_k(h+1)-T′_k(h)

Δt＝t_(h+1)-t_(h) (14)

式中，T′_k为故障线段壳体温度变化值，单位℃；Δt为时间间隔，单位s。

假设d时刻前后壳体温度增加幅度最小，壳体温度变化率的取值下限计算公式如下：

ΔT_min′＝T′_k(d+1)-T′_k(d)

Δt＝t_(d+1)-t_(d) (15)

因此，故障状态下壳体温度变化率的取值(Δθ_fl，Δθ_fr).

d用红外测温仪采集GIL各个线段的壳体温度数据，在气室划分的基础上形成温度数据采集的线段，包括补偿线段、直线线范围段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段，线段划分能提高数据采集的效率和精确度，红外测温仪实时采集温度数据并计算温度变化率，将实时温度变化率与计算值作对比，可判定GIL运行状态。

如图2所示，单相接地故障壳体温度变化图，通过建立有限元模型以及包含电磁场、温度场、流体场的多物理场耦合计算方法，可以得到正常运行线路发生单相接地后的壳体温度变化图，可以看出，温度变化率在故障期间急剧增大，因此可通过计算分析GIL线段的温度变化率来判定其发生故障，仿真中6000s后温度趋于稳定状态，因此取6000s后的温度值进行计算，温度变化率计算的时间间隔为1s，计算十组数据取平均值，非故障状态温度数据如下表1所示，

表1非故障状态温度数据

按非故障状态温度变化率计算公式进行计算，可得到温度变化率平均值为：，取值范围为：[0，0.03]。

以单相母线绝缘气体击穿故障为例，此时为单相接地故障，设置仿真时间7000s时发生单相接地故障，持续时间100ms，故障状态温度数据如下表2所示，

表2非故障状态温度数据

按故障状态温度变化率计算公式进行计算，可得到温度变化率取值范围为：

(-0.5，-0.1)。

结合附图3多物理场耦合流程图，通过建立有限元模型及多物理场耦合，迭代的方式减小计算误差，得到精确的温度数值。将焦耳热损耗作为温度场计算的热源，温度公式包括外界空气、内部绝缘气体、导体和外壳材质热物性参数，同时考虑包括粘性系数、传导系数、定常比压、比热容、热膨胀系数的外壳材质热物性参数。电磁场数值计算出GIL导体和壳体上产生的焦耳热损耗，作为温度场计算的热源；温度场数值计算包括：导体的初始温度T_d0与壳体的初始温度T_k0，导体外表面与外壳内表面之间的热辐射形式的传热，壳体内部热量与外表面之间的热传导形式的传热，壳体外表面与周围空气之间的自然对流或强制对流与辐射换热方式进行的热传递，然后通过迭代的方法减小计算误差，当误差小于5％时可以结束计算，得到壳体正常运行温度。

结合附图4红外测温仪，根据GIL运行可靠性要求，在运行过程中应保证更换红外测温仪不影响GIL的运行，因此选择使用红外测温仪直接检测壳体温度的方法，取代在壳体开孔对导体测温的方法，利用温度反演计算得出导体温度。红外测温仪安装于壳体的正上方，由测温仪固定支架进行固定，对壳体正上方(约为温度最高点)进行测温。该方法使得在对GIL实施检修时，拆装红外测温仪简便，红外测温仪故障也可以在不影响GIL运行的条件下完成更换。

结合附图5装置分布示意，为满足测温及计算准确度要求，在GIL输电方向上间隔安装红外测温仪，两个测温仪之间距离至少为0.700m。该安装间隔可以根据实际情况进行优化调整。

本实施例中，建立有限元模型，用多物理场耦合方法，得到包括焦耳热损耗量、热传导量、热辐射量、热对流量的相关温度参数，通过迭代方法进一步减小温度值计算的误差，将误差控制在5％之内，从而得到较为精准的壳体温度值和温度变化率，将计算值与红外测温仪采集到并计算的壳体温度变化率对比分析，从而判别GIL运行是否处于故障状态。

本实施例中，所述GIL线段，通过对线段的监测，更有利于侦测现场实际GIL的运行情况，通过计算温度变化率以及运行状态判别，可以很大程度上提高GIL整体运行的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于GIL热特性实现故障判定的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：建立GIL母线的有限元仿真模型，有限元仿真模型涉及焦耳热损耗，包含电磁场、温度场、流体场的多物理场耦合模型，在GIL母线的有限元仿真模型的基础下计算出额定工况下GIL母线的非故障状态下壳体温度值与故障状态下壳体温度值；

步骤2：分别计算出非故障状态时GIL母线有限元仿真模型温度变化率的平均值以及范围，以及故障状态时GIL母线温度变化率的范围，这两种状态下变化率的值就作为GIL母线运行状态判断依据，可对实时采集数据进行判断。

步骤3：通过安装在GIL母线壳体上的红外测温传感器分段采集所需要的温度数据，将所监测的GIL母线分成不同的数据采集线段，利用红外测温传感器对每个线段的温度进行采集并分别记录；

步骤4：将红外测温传感器采集到的GIL母线壳体温度进行计算，得到GIL母线壳体实时的温度变化率，与仿真得到GIL母线非故障状态的壳体温度变化率和故障状态的壳体温度变化率作对比，判别GIL母线运行是否处于正常状态，如果实时温度变化率在非故障状态温度变化率范围内，则判定此时GIL母线正常运行；如果实时温度变化率在故障状态温度变化率范围内，则判定此时GIL母线发生故障，如果都不在这两个温度变化率范围内，则采集下一时刻温度在进行一次判断，若第二次仍不在两个范围内则按故障处理。

2.根据权利要求1所述基于GIL热特性实现故障判定的方法，其特征在于：在GIL母线稳定运行时，非故障线段的负载电流不会在短时间内有较大波动，因此GIL母线壳体温度比较稳定，温度变化率Δθ的值较小且稳定，一般取稳定运行m时刻开始的n组数据的平均值，非故障线段壳体温度变化率计算公式如下：

式中，T_k为非故障GIL母线线段的壳体温度值，单位℃；ΔT_k为某时刻非故障线GIL母线段壳体温度变化率，单位℃；t为非故障GIL母线线段壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为温度变化率取值的时间间隔，单位s 。

3.根据权利要求1所述基于GIL热特性实现故障判定的方法，其特征在于：所述步骤S3中，GIL母线的故障线段分析，当GIL母线出现绝缘气体击穿时，会发生单相接地故障，此时电流突增，导致温度变化率Δθ′突然增加，假设故障时刻为h，故障线段壳体温度变化率计算公式如下：

ΔT′＝T′_k(h+1)-T′_k(h)

Δt＝t_(h+1)-t_(h)

式中，T′_k为故障线段壳体温度变化值，单位℃；Δt为时间间隔，单位s。

4.根据权利要求1所述的基于GIL热特性实现故障判定的方法，其特征在于：所述步骤S4中，GIL母线包括多个不同的气室，不同气室之间各自封闭，无气体流动，所述GIL母线在多个气室的划分下形成温度数据采集的线段，包括补偿线段、直线线段、上升线段、转角线段、下降线段以及定向线段，GIL母线中的的每个线段均设有红外测温传感器，以采集每一个线段的壳体外表面温度数据。

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