1、220kVGIL復雜殼體結構振動傳播特性分析摘要：長距離城市氣體絕緣金屬封閉輸電線路（gas-insulated transmission line，GIL）包含大量的伸縮節及氣隔單元等復雜殼體結構，會使沿GIL殼體傳播的振動信號產生相應的時延，進而影響基于時差法的振動故障定位在線監測系統的定位精度.為明晰GIL復雜殼體結構對振動信號傳播過程產生的影響，為后續GIL擊穿故障定位方法的改進提供依據，本文從理論上分析了振動信號在流體、固體場中的傳播方程以及兩場間的耦合關系，提出了振動信號在GIL內傳播過程的聲-結構耦合有限元數值模擬方法，研究了不同激勵方式下振動信號在GIL殼體中的傳播特性，并在南

2、通220kVGIL現場開展GIL管壁振動傳播特性試驗，獲得了振動信號經過220kVGIL伸縮節單元、氣隔單元、彎管單元以及支架單元等結構的典型波速與時延情況，同時建立與試驗工況一致的有限元仿真模型，驗證了文中所提出的GIL內振動信號傳播過程數值模擬方法的可行性與有效性.研究結果表明：對于振動故障定位在線監測系統所監測的橫波振動信號，220kVGIL各復雜殼體結構會使其產生0.11.1ms不等的時延. 關鍵詞：220kVGIL;有限元;故障定位;傳播特性;時延 中圖分類號：TM726 文獻標志碼：A 氣體絕緣金屬封閉輸電線路（gas-insulated transmission line，GIL

3、）因其輸電容量大、損耗低、運行維護方便等優點1-3，可有效滿足城市景觀帶建設、清潔能源外送、可再生能源消納等場景下的電能輸送需求4，對我國碳達峰、碳中和目標的實現具有重要作用.受限于當前技術水平，采用模塊化方式生產組裝的GIL內部往往會出現一些不可避免的隱性絕緣缺陷5-6，這些缺陷可能會引發絕緣故障而導致擊穿7.對于長距離GIL，當擊穿發生時，需要快速、準確地定位擊穿位置，以便及時更換損壞管段.目前，GIL擊穿故障定位方法主要包括振動法、超聲波法以及接地線電流法8，因為GIL擊穿放電產生的聲振動信號主要位于可聽聲頻段內，振動加速度傳感器在此頻段內靈敏度高，且安裝方便、經濟性好9，因此振動法在G

4、IL擊穿故障定位中得到了廣泛的應用. 近兩年來，隨著無錫、南通以及武漢等地的GIL工程陸續開工建設或建成投運，我國的長距離城市GIL工程已進入快速發展期.這些長距離城市GIL工程均以管廊的形式埋設于地下，受城市復雜地形條件的影響，上下起伏頻繁，存在大量的伸縮節、彎管等復雜殼體結構.振動法主要監測GIL內部發生絕緣故障時產生并沿殼體傳播的振動信號，出于經濟性考慮，在GIL殼體上安裝的振動加速度傳感器間隔一般較長.對于城市GIL，兩個傳感器間可能會存在多個復雜殼體結構，這些結構會使經過的振動信號產生顯著的時延和衰減，嚴重影響基于時差或幅值的故障定位結果10.為提高GIL狀態監測水平，避免故障點定位

5、不準導致的檢修周期延長以及誤拆正常管段對GIL造成的二次破壞，應對振動信號經過GIL復雜殼體結構的傳播特性進行研究，所得研究成果可為現有振動故障定位算法的改進提供理論依據與技術數據，進一步提高故障定位結果的精確性，有利于后續長距離城市GIL管廊工程的建設. 在GIS/GIL振動特性研究方面，日本學者Okutsu率先提出利用振動法監測GIS內部的機械故障與放電故障11;屈斌等人通過實驗采集了GIS不同機械故障與局放故障下的振動加速度信號12;薛建議等人采用有限元法仿真了特高壓GIS不同位置發生局部放電時超聲振動信號的傳播特性13;騰云、劉通等人研究了GIL發生擊穿性放電時的聲振動特性以及基于可聽

6、聲信號的擊穿故障定位方法14-15;劉云鵬等人通過擊穿故障定位試驗，研究了超聲振動信號在特高壓GIL中傳播的衰減特性16.目前GIS/GIL振動特性的研究尚局限于母線直管段，鮮有振動信號經過GIL伸縮節、氣隔單元等復雜殼體結構傳播特性相關的研究. 綜上所述，本文提出了一種基于聲-結構耦合的GIL振動傳播特性有限元仿真方法17，研究了不同激勵方式下振動信號在GIL殼體中的傳播特性，并在220kV真型GIL上開展管壁振動傳播特性試驗，獲得了振動信號經過220kVGIL各型復雜殼體結構的典型波速和時延情況，通過仿真與試驗結果對比，驗證了該仿真方法的準確性. 1GIL聲-結構耦合仿真原理及方法 流體中的聲波和固體中的應力波都屬于機械波，是振動在介質中的傳播形式.因為GIL同時包含流體域和固體域，因此振動在GIL中的傳播涉及聲學與結構力學兩物理場.考慮到GIL伸縮節、氣隔單元等復雜殼體結構的材質與直管段不同，同時又包含大量的流-固交界面，振動信號經過這些結構時會