摘 要

气体绝缘变电站（GIS）具有运行可靠、维护工作量少、以及占地面积小等优点，近几年在电力系统中得到了广泛的应用，逐渐成为高压电器的发展主流，在各种电压等级的电力系统中担任着重要角色。

本文是以如今被广泛使用的额定电压为220kV，额定电流为4000A的GIS设备为主要研究对象，分析它在电磁场、温度场以及涡流场共同作用下的运行情况，并且搭建了多物理场耦合下的GIS壳体耦合阻抗求解模型，以进一步分析GIS电压等级、母线半径以及壳体对地高度等对GIS壳体耦合阻抗的影响，在此基础上得到GIS壳体耦合阻抗的分布规律。本文主要进行的工作有：

1. 分别对每个物理场进行单独设置，包括对GIS母线壳体在各个物理场下的数学控制方程和边界条件的设置，掌握各物理场之间的耦合关系；从理论上对壳体耦合阻抗进行定义，得出耦合阻抗的计算流程，并且根据流程计算耦合阻抗理论值。
2. 利用多物理场仿真软件COMSOL对GIS母线壳体进行建模仿真；并且在此基础上通过各物理场之间的耦合关系进行多场耦合仿真，将得出的仿真结果与理论值进行比较。
3. 根据建立的阻抗模型，改变电压等级，壳体对地高度以及母线半径等，观察耦合阻抗的变化，从而得出GIS壳体耦合阻抗分布规律。

本文的研究表明：通过理论计算得出的耦合阻抗值与仿真计算值大致一致；GIS内部电场与其他物理场之间是相互独立的，但是磁场、温度场和涡流场存在着双向耦合的关系；随着电压等级的升高，壳体耦合阻抗值有先升后降的趋势；对地高度越大，壳体耦合阻抗值越大；随着母线半径的增大，壳体耦合阻抗值先降后升，但总体变化不大。

关键词：GIS；GIS壳体耦合阻抗；COMSOL；多物理场耦合

Abstract

Gas insulated substation (GIS) has the advantages of reliable operation, less maintenance work and small floor area. In recent years, it has been widely used in power system, and gradually become the mainstream of the development of high-voltage electrical appliances, playing an important role in various voltage levels of power system.

Thesis takes the GIS equipment with rated voltage of 220kV and rated current of 4000A as the main research object, analyzes its operation under the joint action of electromagnetic field, temperature field and eddy current field, and builds the GIS shell coupling impedance solution model under the multi physical field coupling to further analyze the GIS voltage level, bus radius and shell to ground height Based on the influence of GIS shell coupling impedance, the distribution law of GIS shell coupling impedance is obtained. The main work of this paper is as follows:

1. Each physical field is set separately, including the setting of mathematical control equations and boundary conditions of GIS bus shell in each physical field, mastering the coupling relationship between the physical fields; theoretically, the coupling impedance of the shell is defined, the calculation flow of coupling impedance is obtained, and the theoretical value of coupling impedance is calculated according to the flow.
2. The GIS bus shell is modeled and simulated by the multi physical field simulation software COMSOL. On this basis, the multi field coupling simulation is carried out through the coupling relationship between the physical fields, and the simulation results are compared with the theoretical values.
3. According to the established impedance model, change the voltage level, the height of the shell to the ground and the radius of the bus, observe the change of the coupling impedance, and then get the distribution law of the coupling impedance of GIS shell.

The research of this paper shows that: the coupling impedance value calculated by theory is consistent with that calculated by simulation; the electric field in GIS is independent of other physical fields, but the magnetic field, temperature field and eddy current field have two-way coupling relationship; with the increase of voltage level, the coupling impedance value of shell has the trend of first rising and then falling; The higher the height to the ground, the greater the coupling impedance value of the shell; with the increase of the bus radius, the coupling impedance value of the shell first decreases and then increases, but the overall change is not significant.

Key Words：GIS；GIS shell coupling impedance；COMSOL；Multiphysics

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的章节安排 3

第2章 GIS母线外壳的理论模型研究 4

2.1 GIS母线外壳的耦合阻抗的表征以及理论计算方法 4

2.2 GIS母线的电场数学模型 7

2.3 GIS母线的磁场数学模型 7

2.4 GIS母线的温度场数学模型 8

2.5 GIS母线的流场数学模型 10

2.6电磁场、温度场、涡流场多物理场的耦合 11

第3章 220kV GIS母线的仿真结果及分析 13

3.1 GIS母线电场的仿真计算 13

3.2 GIS母线磁场的仿真计算 16

3.3 GIS母线磁场、温度场、流场的耦合建模仿真 20

第4章 相关因素对GIS母线外壳耦合阻抗值的影响 23

4.1 电压等级对耦合阻抗值的影响 23

4.1.1 126kV的GIS母线的仿真结果 23

4.1.2 66kV的GIS母线的仿真结果 23

4.1.3 比较不同电压等级GIS母线的仿真结果 24

4.2 母线半径对耦合阻抗值的影响 24

4.2.1 内、外半径为40、70mm的GIS母线的仿真结果 24

4.2.2 内、外半径为120、150mm的GIS母线的仿真结果 26

4.2.3 比较不同内、外半径的GIS母线的仿真结果 28

4.3 外壳对地高度对耦合阻抗值的影响 29

第5章 结论 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

气体绝缘变电站即GIS（Gas insulated substation），由于运行可靠性高、占用空间小，再加上对环境较为友好等优点被广泛应用于实际电力系统当中，人们越来越关注GIS设备技术的发展，并且对其中各种瞬态、暂态现象也进行了大量研究，而本文的目的则是为了去研究GIS在实际工作环境下的运行情况以及它的壳体耦合阻抗，为分析整个GIS设备内部的损耗问题以及壳体的各种暂态、瞬态现象^[1-3]提供阻抗数据支撑。

1.1 课题研究背景及意义

全球能源体系的不断改革，也要求电力行业朝着更加安全，更加高效，更加环保的方向进发，在此背景之下，GIS设备技术的发展以及其内部运行所产生的各种电学现象获得了越来越多的学者的关注。GIS（Gas insulated substation）是气体绝缘变电站的英文简称，在电力系统中起着重要的电力转换作用，其主要的组成元件有断路器、隔离开关、母线以及电压、电流互感器等。并且内部是全部密封的，内部采用的是SF₆气体用于绝缘以及灭弧，如图1.1所示为在电力系统中GIS设备的应用。

图1.1 GIS的应用