Mechanism of GIS enclosure temperature rise and thermal hazard assessment based on finite element simulation

PAN Guanghui; JIANG Jin; LANG Sheng; JIANG Junxian; CHANG Junxiao; ZHAO Wendong; YE Yuantao

doi:10.19585/j.zjdl.202609012

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Mechanism of GIS enclosure temperature rise and thermal hazard assessment based on finite element simulation

Transmission and Transformation | 更新时间：2026-09-18

- Mechanism of GIS enclosure temperature rise and thermal hazard assessment based on finite element simulation
- ZHEJIANG ELECTRIC POWER Vol. 45, Issue 9, Pages: 123-132(2026)
- 作者机构：
  
  1.国网浙江省电力有限公司台州供电公司，浙江台州 318000
  2.武汉工程大学，武汉 430000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.19585/j.zjdl.202609012
  CLC：
- Received：13 January 2026，
  
  Revised：2026-02-23，
  
  Published：25 September 2026
- 稿件说明：
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潘光辉,蒋进,郎晟等.基于有限元仿真的GIS外壳温升机理与热隐患研究[J].浙江电力,2026,45(09):123-132.

PAN Guanghui,JIANG Jin,LANG Sheng,et al.Mechanism of GIS enclosure temperature rise and thermal hazard assessment based on finite element simulation[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(09):123-132.
潘光辉,蒋进,郎晟等.基于有限元仿真的GIS外壳温升机理与热隐患研究[J].浙江电力,2026,45(09):123-132. DOI： 10.19585/j.zjdl.202609012.

PAN Guanghui,JIANG Jin,LANG Sheng,et al.Mechanism of GIS enclosure temperature rise and thermal hazard assessment based on finite element simulation[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(09):123-132. DOI： 10.19585/j.zjdl.202609012.

摘要

GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）内部过热故障具有强隐蔽性，易诱发绝缘劣化等严重后果。针对GIS外壳三相温差异常问题，建立精细化三维电磁-热耦合有限元模型，系统仿真分析了额定工况及接触不良工况下内部温度场分布及热量传递规律。研究表明：触头接触电阻增大会导致局部温度显著上升，且负荷电流越高，温升对电阻变化越敏感；受导体-气体-外壳多层结构的热衰减作用，内部严重过热在外壳上仅表现为微弱温升，外壳温度分布整体平缓，相间细微温差可作为内部故障的关键信号。现场工作中发现某220 kV GIS设备C相外壳存在约1.6 K的细微温升异常，经停电解体检查证实，其对应断路器主触头存在因装配工艺不良导致的接触电阻超标，与仿真结论高度吻合。本研究证实，通过监测外壳相间温差等细微热信号，可实现GIS内部早期热隐患的非侵入式诊断，为设备状态评估与预警提供理论依据和工程参考。

Abstract

The internal overheating fault of Gas Insulated Metal-Enclosed Switchgear （GIS） is highly concealed and prone to cause serious consequences such as insulation deterioration. This paper addresses the issue of abnormal temperature differences among the three phases of the GIS enclosure， establishes a refined three-dimensional electromagnetic-thermal coupled finite element model， and systematically simulates and analyzes the internal temperature field distribution and heat transfer laws under rated and poor contact conditions. The research shows that an increase in contact resistance of the contacts leads to a significant rise in local temperature， and the higher the load current， the more sensitive the temperature rise to changes in resistance. Due to the thermal attenuation effect of the multi-layer structure of conductor-gas-enclosure， severe internal overheating only manifests as a slight temperature rise on the enclosure， with an overall gentle temperature distribution on the enclosure. The subtle temperature difference between phases may be a key signal of internal faults. The infrared temperature measurement results of a 220kV GIS equipment on site show that there is an abnormal slight temperature rise of about 1.6K in the C-phase enclosure. After a maintenance and testing process， it was verified that the main contact of the corresponding circuit breaker had excessive contact resistance due to poor assembly techniques， which is highly consistent with the simulation conclusions. This study confirms that by monitoring subtle thermal signals such as temperature differences between phases of the enclosure， non-invasive diagnosis of early thermal hazards inside GIS can be achieved， providing a theoretical basis and engineering reference for equipment condition assessment and early warning.

关键词

Keywords

references

邱毓昌 . GIS装置及其绝缘技术［M］. 北京：水利电力出版社， 1994 .

罗学琛 . SF 6 气体绝缘全封闭组合电器（GIS）［M］. 北京：中国电力出版社， 1999 .

周蠡，鲁铁成，罗容波，等 . 气体绝缘组合电器触头电接触状态检测与评估方法［J］. 高电压技术， 2015 ， 41 （ 1 ）： 217 - 224 .

Zhou Li ， Lu Tiecheng ， Luo Rongbo ， et al . Detection and evaluation method of electrical contact state in gas insulated switchgear ［J］. High Voltage Engineering ， 2015 ， 41 （ 1 ）： 217 - 224 .

王俊波，苗银银，罗容波，等 . GIS触头接触状况检测现状分析［J］. 高压电器， 2013 ， 49 （ 12 ）： 137 - 140 .

Wang Junbo ， Miao Yinyin ， Luo Rongbo ， et al . Analysis of present situation of GIS contact detection ［J］. High Voltage Apparatus ， 2013 ， 49 （ 12 ）： 137 - 140 .

张森林 . GIS接触电阻与温升关系研究［D］. 北京：华北电力大学， 2015 .

Zhang Senlin . Study on the relationship between contact resistance and temperature rise of GIS ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2015 .

陈新城，陈邦发，贺博，等 . 太阳辐射下的GIS断路器温度分布研究［J］. 高压电器， 2025 ， 61 （ 3 ）： 9 - 18 .

Chen Xincheng ， Chen Bangfa ， He Bo ， et al . Study on temperature distribution of GIS circuit breaker under solar radiation ［J］. High Voltage Apparatus ， 2025 ， 61 （ 3 ）： 9 - 18 .

张丕沛，孙国峰，李杰，等 . SF 6 /N 2 混合气体隔离开关接触不良时的温度分布及诊断判据研究［J］. 山东电力技术， 2024 ， 51 （ 12 ）： 61 - 68 .

Zhang Pipei ， Sun Guofeng ， Li Jie ， et al . Research on temperature distribution and diagnostic criteria forPoor contact of SF 6 /N 2 mixed gas disconnector ［J］. Shandong Electric Power ， 2024 ， 51 （ 12 ）： 61 - 68 .

刘昱轩，徐志钮，胡伟涛，等 . 基于多特征量的GIS触头温度预测方法［J］. 电力工程技术， 2024 ， 43 （ 1 ）： 212 - 219 .

Liu Yuxuan ， Xu Zhiniu ， Hu Weitao ， et al . GIS contact temperature prediction method based on multiple parameters ［J］. Electric Power Engineering Technology ， 2024 ， 43 （ 1 ）： 212 - 219 .

周秀，吴旭涛，田天，等 . 基于机-热-电多参量信号特征的GIS隔离开关状态评估方法［J］. 电力工程技术， 2024 ， 43 （ 1 ）： 220 - 228 .

Zhou Xiu ， Wu Xutao ， Tian Tian ， et al . Condition assessment method of GIS disconnector based on vibration-thermal-electrical multi-parameter signal characteristics ［J］. Electric Power Engineering Technology ， 2024 ， 43 （ 1 ）： 220 - 228 .

王仕俊，武慧颖，王星，等 . 基于生死单元法的GIS设备安装过程温度效应研究［J］. 高压电器， 2024 ， 60 （ 12 ）： 13 - 22 .

Wang Shijun ， Wu Huiying ， Wang Xing ， et al . Study on temperature effect of installation process of GIS based on birth and death element method ［J］. High Voltage Apparatus ， 2024 ， 60 （ 12 ）： 13 - 22 .

苏旭辉，龙伟，任成君，等 . GIS隔离开关不同接触状态下的温升特性研究［J］. 高压电器， 2020 ， 56 （ 6 ）： 121 - 128 .

Su Xuhui ， Long Wei ， Ren Chengjun ， et al . Study on temperature rise characteristics of GIS disconnector under different contact conditions ［J］. High Voltage Apparatus ， 2020 ， 56 （ 6 ）： 121 - 128 .

李杰，王丹，孙承海，等 . GIS盆式绝缘子温升特性及其影响规律研究［J］. 山东电力技术， 2025 ， 52 （ 9 ）： 104 - 112 .

Li Jie ， Wang Dan ， Sun Chenghai ， et al . Research on temperature rise characteristics and influencing patterns of GIS basin-type insulators ［J］. Shandong Electric Power ， 2025 ， 52 （ 9 ）： 104 - 112 .

于文旭，关向雨，赖泽楷，等 . 考虑外壳不均匀换热边界的三相共箱式GIS母线瞬态温升MRT-LBM-EnKF模拟［J］. 中国电机工程学报， 2026 ， 46 （ 5 ）： 2104 - 2115 .

Yu Wenxu ， Guan Xiangyu ， Lai Zekai ， et al . MRT-LBM-EnKF simulation of transient temperature rise of three-phase enclosure GIS bus considering non-uniform heat transfer boundary of shell ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2026 ， 46 （ 5 ）： 2104 - 2115 .

高玉峰 . 气体绝缘全封闭开关设备的状态监测与故障诊断方法研究［D］. 北京：华北电力大学， 2019 .

Gao Yufeng . Research on condition monitoring and fault diagnosis method of gas insulated switchgear ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2019 .

张国治，田晗绿，杨帅，等 . 温度对GIS内部固体绝缘缺陷间歇性放电特性影响研究［J］. 电力工程技术， 2024 ， 43 （ 3 ）： 183 - 191 .

Zhang Guozhi ， Tian Hanlyu ， Yang Shuai ， et al . The impact of temperature on intermittent discharge characteristics of solid insulation defects inside GIS ［J］. Electric Power Engineering Technology ， 2024 ， 43 （ 3 ）： 183 - 191 .

张津铭，赵健，唐维溢，等 . 动态拓扑下基于终端数据挖掘的配电网异常节点检测［J］. 智慧电力， 2024 ， 52 （ 7 ）： 1 - 9 .

Zhang Jinming ， Zhao Jian ， Tang Weiyi ， et al . Abnormal node detection in distribution network based on terminal data mining in dynamic topology ［J］. Smart Power ， 2024 ， 52 （ 7 ）： 1 - 9 .

李国强，卞荣，陈科技，等 . 基于多物理场耦合的盆式绝缘子低频沿面闪络特性研究［J］. 浙江电力， 2024 ， 43 （ 9 ）： 88 - 96 .

Li Guoqiang ， Bian Rong ， Chen Keji ， et al . Study on surface flashover characteristics of basin-type insulators under low-frequency transmission based on multiphysics coupling ［J］. Zhejiang Electric Power ， 2024 ， 43 （ 9 ）： 88 - 96 .

宋帆，申春红，林莘，等 . 800 kV GIS隔离开关磁场-温度场计算与分析［J］. 高电压技术， 2008 ， 34 （ 7 ）： 1383 - 1388 .

Song Fan ， Shen Chunhong ， Lin Xin ， et al . Calculation and analysis on magneto-thermal fields of 800 kV GIS disconnector ［J］. High Voltage Engineering ， 2008 ， 34 （ 7 ）： 1383 - 1388 .

范镇南，张德威，陈显坡，等 . 用电磁场和流场模型计算GIS母线损耗发热［J］. 高电压技术， 2009 ， 35 （ 12 ）： 3016 - 3021 .

Fan Zhennan ， Zhang Dewei ， Chen Xianpo ， et al . Calculation of loss and heat of GIS bus bar using electromagnetic field and fluid field ［J］. High Voltage Engineering ， 2009 ， 35 （ 12 ）： 3016 - 3021 .

臧旭，马宏忠，吴金利，等 . 基于振动原理的GIS母线导电杆松动故障分析与诊断［J］. 电力系统保护与控制， 2021 ， 49 （ 9 ）： 12 - 20 .

Zang Xu ， Ma Hongzhong ， Wu Jinli ， et al . Analysis and diagnosis of a GIS bus conductor loosening based on mechanical vibration ［J］. Power System Protection and Control ， 2021 ， 49 （ 9 ）： 12 - 20 .

张诗涵，陈孝信，李斐然，等 . GIS设备内部热点温度反演方法及其传感器分布影响研究［J］. 高压电器， 2025 ， 61 （ 10 ）： 94 - 105 .

Zhang Shihan ， Chen Xiaoxin ， Li Feiran ， et al . Research on inversion method of internal hot spot temperature in GIS equipment and influence of sensor distribution ［J］. High Voltage Apparatus ， 2025 ， 61 （ 10 ）： 94 - 105 .

武胜斌，郑研，陈志彬 . 基于红外测温技术的GIS导体温度在线监测的方案［J］. 高压电器， 2009 ， 45 （ 4 ）： 100 - 102 .

Wu Shengbin ， Zheng Yan ， Chen Zhibin . An on-line monitoring scheme of conductor temperature in GIS based on infrared temperature measurement ［J］. High Voltage Apparatus ， 2009 ， 45 （ 4 ）： 100 - 102 .

孙国霞 . 基于电接触理论的GIS母线接头过热性故障的研究［D］. 武汉：武汉大学， 2013 .

Sun Guoxia . Research of GIS busbar connector overheating fault based on electrical contact theory ［D］. Wuhan ： Wuhan University ， 2013 .

张婧俣，张军强，李楠，等 . 基于有限元分析的GIS断路器温度场仿真研究［J］. 电网与清洁能源， 2021 ， 37 （ 8 ）： 53 - 61 .

Zhang Jingyu ， Zhang Junqiang ， Li Nan ， et al . Simulation research on the temperature field of GIS circuit breakers based on finite element analysis ［J］. Power System and Clean Energy ， 2021 ， 37 （ 8 ）： 53 - 61 .

马波，吴旭涛，李秀广，等 . GIS温度场分布特性及影响因素的有限元仿真研究［J］. 绝缘材料， 2019 ， 52 （ 3 ）： 69 - 73 .

Ma Bo ， Wu Xutao ， Li Xiuguang ， et al . Finite element simulation of temperature field distribution characteristics and influencing factors in GIS ［J］. Insulating Materials ， 2019 ， 52 （ 3 ）： 69 - 73 .

黎斌 . SF 6 高压电器设计［M］. 3版 . 北京：机械工业出版社， 2010 .

艾华强 . 高压电器GIS设计研究［D］. 苏州：苏州大学， 2015 .

Ai Huaqiang . High-voltage switchgear GIS design research ［D］. Suzhou ： Soochow University ， 2015 .

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