气体绝缘输电线路温度场模拟仿真研究

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气体绝缘金属封闭输电线路（Gas-Insulated Metal-Enclosed Transmission Line，GIL）因其传输容量大、电能损耗低、电磁干扰小以及环境友好等显著优势，已在城市电网改造、水电站及核电站出线、复杂地形输电等场景广泛应用。相较于传统架空输电线路，GIL 采用铝合金外壳包裹内部导体，以高绝缘强度气体（如SF₆）为介质，通过盆式绝缘子分隔气室，构建长距离输电通道。然而，GIL 在长期通流运行中持续发热导致的温升问题，直接威胁设备安全性与可靠性。过高的温升不仅降低材料绝缘性能、加速设备老化，还可能引发密封失效、气体泄漏等故障。温升特性受多重因素动态耦合影响，包括负载电流强度、绝缘气体压力与环境温度的季节性波动，以及管道结构参数与绝缘气体物性的协同作用。

文章聚焦 GIL 输电线路多物理场建模与季节适应性温升问题，通过多物理场耦合模型构建，依据气象数据量化冬、夏典型环境参数，在不同电力负荷条件下，多物理场耦合数值模拟（电磁-流-热场）仿真研究了 GIL 输电线路在连续运行24h 时的温度变化情况，为季节更替引起环境参数变化，叠加电力负荷波动条件下 GIL 输电线路的安全高效运行提供理论支撑。

1 热传导理论、GIL 输电线多物理场建模

1.1 热传导

热传导主要是存在于固体中的传热方式，当物体温度温度分布不均匀时，即存在温差时，物体内的温度会从高温的地方传导到低温的地方，此现象即为热传导。热传导用数学公式表示出热传导的基本定律如式（1）、（2）所示：

式中，Q 为热流量，表示在单位时间内传递的热量，与温度差成正比，单位为瓦特（W）； q 为传热速率或称为热流密度，表示单位时间内通过单位面积的热量，单位为 W/m² ； λ 为物体的导热系数，单位为 W/（m⋅K） ； T₁-T₂ 为物体之间的温度差，单位为摄氏度（ C ）或华氏度（K）；A 为物体的截面积，单位为 m² ；b 为物体的厚度，单位为 m 。热传导示意图如图3.10 所示

1.2 热对流

GIL 中流体的传热主要形式为热对流，通常是依靠流体质点的移动将热量从一部分带到另一部分的热现象。因为其过程包含两个中比较复杂的热传递现象，所以一般采用牛顿冷却公式反映传热过程。公式如（3），（4）所示。

Q=hA（T_w-T_f）=hAΔT

式中，Q 和 q 所表达的物理意义与式 1、2 中的物理意义一致，A 为固体与流体的接触面面积，单位为 m² ； h 为对流换热系数，单位为 W/（m²⋅K） 。

1.3 热辐射

热辐射也是传热的基本方式之一，该传热方式存在于一切温度高于绝对零度的物体中，是通过向周围辐射电磁波传递热能，物体温度越高，辐射出的能量就越大。热辐射过程中，并不需要两个物体的直接接触或是中间物质便可将热量进行传递，其辐射公式可以用式 5 表示：

Q=AσT⁴

式中，Q 为黑体辐射的辐射能，单位为 w ；A 为物体的辐射表面积，单位为 m² ；T 为绝对温度，单位为 K； $＼textbf { ＼sigma }$ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为 5.67×10^-8 W/（m²⋅K⁴） 。但黑体只存在于理想的条件下，自然条件下不存在黑体。黑体的辐射率为 1，越接近于 1，表明辐射能力越强，但通常实际物体为灰体，辐射率低于 所以对式 6 进行以下修正：

Q=ξAσT⁴ （6）

式6 中的 ξ 为物体的辐射率，根据不同材料物体的 ξ 计算其热辐射量

1.4 热传导方程

为了能够分析 GIL 输电线路温度场分布，首先对 GIL 输电线路的热传递情况分析如下。 ①GIL 自身温度与周边环境温度不同导致的热传递现象； ②GIL 自身整体温度分布不均匀，导致温度从 GIL 的一部分传递到另一部分的热传递现象； ③GIL 表面的热辐射现象也会导致热量传递。根据对传统 GIL 的热传导情况分析，参考文献[58]可知，球坐标下 GIL 的热平衡方程如式 7 所示。

式7 中，T 为GIL 某点处温度，单位为K； λ 为导热系数，单位为 W/（m⋅K） ；r、θ、 Φ 分别为球坐标变量。

由于 GIL 输电线路在运行过程中承载着高压大电流，该电流作为本文分析中的激励源，其自身产生的焦耳热相当于热源，所以在式7 基础上需要加上焦耳热源，对式 7 修正可得式 8

式中 ϕ 为焦耳热源。

1.5 GIL 输电线多物理场建模

采用通用有限元仿真软件 CMOSOL 建立三维 GIL 多物理场耦合模型。模型基本结如图所示，其中导体和外壳材料均为铝合金，填充气体为 0.5MPaSF6 气体，外壳外径 514mm ，厚度 8mm ，导体外径 180mm. ，厚度 7.5mm ，长度 18000mm ，同步设置 9000mm 空气域，进行仿真计算。

2 数值模拟分析

采用电流、固体和流体传热模块，利用电磁热多物理场模块进行温度变化计算。考虑国家输电规范，将输电电流设置为：3000A、4000A、5000A、6000A，工频 sohz ，考虑真春夏秋冬季节典型温度变化，分别设置初始环境温度为 10^c 、30^qC 、 18°C 、 -5% ，外部换热条件为自然对流，设置SF6 气体流速为 0.5m/s ，

2.1 计算分析

文章首先对模型进行网格剖分，38 个顶点、7400 条边、150484 个边界，共计剖分网格单元数 1310888 个。对 GIL 一端输入电流激励，另一端接地，采用频域稳态计算模块。

从计算结果可以看出：随着电流的增大，GIL 最终达到的温度随之增大，6000A 时最大温度达到 51 摄氏度，这对设备的稳定运行具有一定的安全隐患。

2.2 GIL 输电线路温升特性分析

对不同季节进行频域稳态温升研究，通过数据分析可以看出，冬季环境下内外层温差较大，春、夏季时内外层温差较小，且夏季时温度达到 71 摄氏度，已经超出安全运行温度的上限，影响到设备的安全稳定运行。

在不同的电流情况下，温升分别为 、 、 30% 、 41% ，在不同季节的，6000A 时，最大温度为 51.48°C 、 71‰ 、 59.27‰ 、 36.88^∘C 。

3 总结

本研究利用有限元仿真软件，建立了气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）的详细模型，重点仿真分析了不同季节环境温度变化（特别是高温夏季与低温冬季）对 GIL 在满载运行工况下内部温度场分布的影响。仿真结果表明，环境温度的季节性波动对 GIL 整体温升及关键部位（如导体和绝缘子接触点）的温度具有显著影响，夏季高温会导致导体最高温度和外壳温度明显升高，内部温度梯度增大，并可能降低关键部位的热安全裕度。该研究定量揭示了环境温度变化通过影响散热机制（对流、传导）而作用于 GIL 热性能的规律，为 GIL 的热设计优化与高温季节安全运行评估提供了重要依据。

参考文献

1.戴振，等. 220kV 气体绝缘金属封闭输电线路温升模拟及试验[J]. 电工技术， 2025.

2.陈敬友，等. 气体绝缘输电线路温升数值计算及绝缘气体换热能力[J]. 高电压技术， 2020.

3.Benato R， et al. Proximity effect and magnetic field calculation in GIL[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2002. 4.Wu X， et al. Thermal field calculation of GIL based on fluid multi-species transport[J]. Proceedings of the CSEE， 2012. 5.Li B， et al. Heat dissipation analysis of CF4 mixtures in GIL[J]. High Voltage Engineering， 2018. 6.Chang Y， et al. Calculation method for thermal properties of multi-component gas[J]. Journal of Power Engineering， 2010. 7.Liu L， et al. Loss analysis of UHV GIL expansion joint[J]. High Voltage Engineering， 2018. 8.Wang J， et al. Thermal-induced flexible property of GIL[J]. High Voltage Engineering， 2017. 9.Zhou L， et al. Temperature rise characteristics of GIL under environmental factors[J]. Power System Technology， 2019. 10.Tsuboi T. Electromagnetic-thermal-fluid coupled simulation of GIL[J]. IEEJ Transactions， 2020. 11.Cui Y， et al. Thermal expansion compensation design for GIL[J]. Engineering Failure Analysis， 2022.

作者简介：

赵守贵（1987—），男，汉族，硕士研究生，高级工程师，研究方向为继电保护及电气二次回路设计。

代明明（1988—），男，汉族（通信作者），硕士研究生，工程师，研究方向为继电保护及电气二次回路设计。