220kVGIL复杂壳体结构振动传播特性分析摘要：长距离城市气体绝缘金属封闭输电线路（gas-insulatedtransmissionline，GIL）包含大量的伸缩节及气隔单元等复杂壳体结构，会使沿GIL壳体传播的振动信号产生相应的时延，进而影响基于时差法的振动故障定位在线监测系统的定位精度.为明晰GIL复杂壳体结构对振动信号传播过程产生的影响，为后续GIL击穿故障定位方法的改进提供依据，本文从理论上分析了振动信号在流体、固体场中的传播方程以及两场间的耦合关系，提出了振动信号在GIL内传播过程的声-结构耦合有限元数值模拟方法，研究了不同激励方式下振动信号在GIL壳体中的传播特性，并在南通220kVGIL现场开展GIL管壁振动传播特性试验，获得了振动信号经过220kVGIL伸缩节单元、气隔单元、弯管单元以及支架单元等结构的典型波速与时延情况，同时建立与试验工况一致的有限元仿真模型，验证了文中所提出的GIL内振动信号传播过程数值模拟方法的可行性与有效性.研究结果表明：对于振动故障定位在线监测系统所监测的横波振动信号，220kVGIL各复杂壳体结构会使其产生0.1～1.1ms不等的时延.关键词：220kVGIL;有限元;故障定位;传播特性;时延中图分类号：TM726文献标志码：A气体绝缘金属封闭输电线路（gas-insulatedtransmissionline，GIL）因其输电容量大、损耗低、运行维护方便等优点[1-3]，可有效满足城市景观带建设、清洁能源外送、可再生能源消纳等场景下的电能输送需求[4]，对我国碳达峰、碳中和目标的实现具有重要作用.受限于当前技术水平，采用模块化方式生产组装的GIL内部往往会出现一些不可避免的隐性绝缘缺陷[5-6]，这些缺陷可能会引发绝缘故障而导致击穿[7].对于长距离GIL，当击穿发生时，需要快速、准确地定位击穿位置，以便及时更换损坏管段.目前，GIL击穿故障定位方法主要包括振动法、超声波法以及接地线电流法[8]，因为GIL击穿放电产生的声振动信号主要位于可听声频段内，振动加速度传感器在此频段内灵敏度高，且安装方便、经济性好[9]，因此振动法在GIL击穿故障定位中得到了广泛的应用.近两年来，随着无锡、南通以及武汉等地的GIL工程陆续开工建设或建成投运，我国的长距离城市GIL工程已进入快速发展期.这些长距离城市GIL工程均以管廊的形式埋设于地下，受城市复杂地形条件的影响，上下起伏频繁，存在大量的伸缩节、弯管等复杂壳体结构.振动法主要监测GIL内部发生绝缘故障时产生并沿壳体传播的振动信号，出于经济性考虑，在GIL壳体上安装的振动加速度传感器间隔一般较长.对于城市GIL，两个传感器间可能会存在多个复杂壳体结构，这些结构会使经过的振动信号产生显著的时延和衰减，严重影响基于时差或幅值的故障定位结果[10].为提高GIL状态监测水平，避免故障点定位不准导致的检修周期延长以及误拆正常管段对GIL造成的二次破坏，应对振动信号经过GIL复杂壳体结构的传播特性进行研究，所得研究成果可为现有振动故障定位算法的改进提供理论依据与技术数据，进一步提高故障定位结果的精确性，有利于后续长距离城市GIL管廊工程的建设.在GIS/GIL振动特性研究方面，日本学者Okutsu率先提出利用振动法监测GIS内部的机械故障与放电故障[11];屈斌等人通过实验采集了GIS不同机械故障与局放故障下的振动加速度信号[12];薛建议等人采用有限元法仿真了特高压GIS不同位置发生局部放电时超声振动信号的传播特性[13];腾云、刘通等人研究了GIL发生击穿性放电时的声振动特性以及基于可听声信号的击穿故障定位方法[14-15];刘云鹏等人通过击穿故障定位试验，研究了超声振动信号在特高压GIL中传播的衰减特性[16].目前GIS/GIL振动特性的研究尚局限于母线直管段，鲜有振动信号经过GIL伸缩节、气隔单元等复杂壳体结构传播特性相关的研究.综上所述，本文提出了一种基于声-结构耦合的GIL振动传播特性有限元仿真方法[17]，研究了不同激励方式下振动信号在GIL壳体中的传播特性，并在220kV真型GIL上开展管壁振动传播特性试验，获得了振动信号经过220kVGIL各型复杂壳体结构的典型波速和时延情况，通过仿真与试验结果对比，验证了该仿真方法的准确性.1GIL声-结构耦合仿真原理及方法流体中的声波和固体中的应力波都属于...