气体绝缘母线是输变电的关键设备之一,其故障将直接导致电网大面积停电,造成极大的经济损失和社会影响,严重威胁电力系统的安全与稳定运行。随着气体绝缘开关设备的大量投运,由于设计、制造以及安装的缺陷,气体绝缘母线接头过热性故障时有发生且呈上升趋势,已成为典型的故障类型之一。气体绝缘母线接头发生过热性故障时,母线接头温度急剧上升,过高的温度将导致气体绝缘母线接头熔化,以至于发生相间或接地短路故障。因此,研究气体绝缘母线接头的温升特性,揭示气体绝缘母线接头过热失效的机理和最终发展至短路故障的原因,具有重要的理论意义和工程应用价值。为揭示气体绝缘母线接头过热性故障的机理,论文作者从理论、仿真计算以及物理模拟试验等方面入手,在气体绝缘母线接头温升数值计算方法、母线接头过热失效机理、母线接头温升特性以及过热失效模拟试验等方面进行了系统深入的研究。开展气体绝缘母线接头过热性故障机理研究,必须认识和了解气体绝缘母线接头的温升特性。气体绝缘母线接头温升特性与自身接触电阻、功率损耗和周边散热条件有关,论文作者通过引入导电桥模型等效模拟气体绝缘母线导电杆与触指之间的电流收缩效应与焦耳热效应,建立了气体绝缘母线三维涡流-流体-热场耦合有限元数值计算模型。首先通过涡流场分析得到了气体绝缘母线的电流密度与功率损耗,将功率损耗作为体积热源输入流体-热场进行分析,并综合考虑母线材料和气体物性参数随温度变化的关系,计算了气体绝缘母线的温度分布。同时,将气体绝缘母线温升数值计算结果与原型温升物理实验结果进行对比,验证了气体绝缘母线三维涡流-流体-热场数值计算模型的正确性、有效性以及导电桥等效处理方法的合理性。基于气体绝缘母线三维涡流-流体-热场数值计算模型,分析了负荷电流、短路电流冲击、接触电阻劣化以及环境温度变化等相关因素对气体绝缘母线接头温度的影响,分析结果表明在接触正常的情况下,负荷电流、环境温度以及短路电流冲击均不会引起气体绝缘母线接头过热导致母线接头熔化,即使母线接头接触电阻在超过正常接触电阻一定范围(不考虑下面提及的对接深度不足引起的接触电阻劣化)时也不会出现过热性故障。在上述研究的基础上,结合事故现场调研,对气体绝缘母线过热性故障特征进行了分析研究,认为导电杆与触指之间对接深度不足可能引起气体绝缘母线接头过热性故障,针对导致导电杆与触指之间对接深度不足的原因,提出了如下假设,即当环境温度循环变化时,气体绝缘母线筒热胀冷缩,会使母线接头触指出现轴向往返运动,导电杆在两侧触指摩擦力的作用下可能发生不完全往返运动,导致导电杆向某一侧滑移,导电杆的一端与触指之间的对接深度就会不断减少,当导电杆与触指的对接深度达到接触失效临界点后,接触电阻逐渐增大,接触温升迅速上升,该过程持续发展下去,就可能导致气体绝缘母线接头过热性故障。根据这一假设,基于粘着-滑移摩擦和多刚体动力学理论,建立了气体绝缘母线导电杆摩擦滑移数学模型,研究了气体绝缘母线导电杆与触指之间的摩擦运动特性。分析了环境温度循环变化(采用机械位移循环加载等效)条件下导电杆与触指之间的摩擦运动特性,并进行了动力学仿真计算。计算结果表明,环境温度变化引起的气体绝缘母线外筒热胀冷缩会使导电杆向某一侧滑移,引起气体绝缘母线导电杆与触指之间的对接深度变化,从而引发过热性故障。为进一步验证气体绝缘母线接头过热性故障机理的假设,设计并制作了气体绝缘母线导电杆摩擦滑移试验的物理模型,进行了机械位移循环加载和温度循环加载条件下的气体绝缘母线导电杆摩擦滑移的物理模拟试验,试验结果表明,在机械位移循环加载和温度循环加载条件下,气体绝缘母线导电杆均向某一侧滑移,气体绝缘母线接头过热性故障机理的假设得到了试验验证。为研究气体绝缘母线接头温升特性及过热熔化的物理过程,基于相似理论对气体绝缘母线接头温升现象进行了相似分析,研究并推导了涡流-流体-热场相似准则,通过对相似准则进行合理地简化,设计并研制了气体绝缘母线的局部相似物理模型,藉此进行了气体绝缘母线接头温升特性和过热失效的物理模拟试验。温升特性物理模拟试验结果表明所建立的气体绝缘母线相似模型与原型具有基本相同的热特性。气体绝缘母线接头过热失效物理模拟试验模拟了母线接头的熔化过程,试验结果表明,母线导电杆与触指对接深度变化达到接触失效临界点后,将引起母线接头过热熔化并产生金属熔融物乃至金属熔滴。为研究气体绝缘母线接头过热熔化产生金属熔滴对气体绝缘母线绝缘特性的影响以及引发母线相间或接地短路故障的过程,采用有限元方法计算了三相共箱气体绝缘母线接头过热熔化产生金属熔滴且下落时,相间以及相对地(外壳)之间的静电场与电容分布。在此基础上,推断了气体绝缘母线接头过热性故障发展至短路故障的物理过程,即母线接头过热性故障产生的金属熔滴受重力作用,脱离导体下落并引起局部电场畸变,有可能形成贯穿性的放电通道并引发相间或接地短路故障。论文作者基于理论研究、仿真计算及物理模拟试验,揭示了气体绝缘母线接头过热性故障形成的机理。研究成果对气体绝缘母线的设计、制造及现场安装,防止气体绝缘母线接头过热故障的发生,具有工程指导意义。同时,也为运行中的气体绝缘母接头温升的在线监测或巡检提供了理论依据。本研究成果对预防气体绝缘母线接头过热性故障,防止气体绝缘母线发生短路故障,保证电力系统安全与稳定运行具有重要的工程意义和实际应用价值。