徐亮, 龍艷, 張高爽, 高建民, 李云龍

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

electrothermal coupling

淮南—南京—上海1 100 kV特高壓交流輸變電工程是繼蘇通大橋、滬崇蘇大通道、滬通長(zhǎng)江大橋后,第4個(gè)在長(zhǎng)江南通段實(shí)施的“國(guó)字號(hào)”重大越江工程。該項(xiàng)工程采用特高壓氣體絕緣輸電線路(GIL)技術(shù),是世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、技術(shù)水平最高的超長(zhǎng)距離GIL創(chuàng)新工程,也是特高壓輸電線路第一次通過江底隧道穿越長(zhǎng)江,是華東特高壓交流環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行的“咽喉要道”和控制性工程。蘇通GIL綜合管廊工程管廊上層敷設(shè)兩回1 100 kV GIL,單相長(zhǎng)度5.8 km,同時(shí)還可布置通信、有線電視等市政通用管線,下層預(yù)留兩回500 kV電纜區(qū)[1-2]。GIL是一種長(zhǎng)距離大功率輸電裝置,與傳統(tǒng)電纜輸電相比,具有容量大、損耗低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。常見的GIL故障如放電、絕緣子擊穿等發(fā)生時(shí)都伴隨有導(dǎo)體或外殼溫度異常等現(xiàn)象[5-7]。不僅如此,GIL母線溫度過高還會(huì)發(fā)生母線拱頂,甚至盆式絕緣子破裂、盆子防水膠開裂等故障[8-9]。GIL熱特性的研究對(duì)提高其熱可靠性和保障安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

在實(shí)驗(yàn)研究方面,Chakir等對(duì)單相直埋式GIL進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)研究,得到GIL外殼溫度和位移隨時(shí)間的變化關(guān)系,并對(duì)直埋GIL進(jìn)行建模和仿真,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性很高[10]。Cookson等在絕緣氣體分別為純SF6氣體和體積比為1∶1的N2和SF6氣體時(shí),對(duì)長(zhǎng)為6.1 m的1 200 kV氣體絕緣輸電線路的熱特性進(jìn)行了研究,還對(duì)GIL母線不同截面導(dǎo)體、外殼頂端和底端溫差進(jìn)行了研究,結(jié)果表明導(dǎo)體和外殼頂端的溫度稍高于底端溫度[11]。Mizukami等克服了傳統(tǒng)GIL系統(tǒng)的問題,設(shè)計(jì)制造了氣體絕緣輸電母線單元,在SF6氣壓分別為0.1和0.35 MPa,負(fù)載電流分別為1.8、2、2.5、3 kA等工況下對(duì)該氣體絕緣輸電單元的熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并在上述工況下對(duì)溫升結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合[12]。

在數(shù)值有限元計(jì)算方法方面,Ham等針對(duì)單相和三相GIL,利用五階龍格庫(kù)塔法預(yù)測(cè)了負(fù)載電流為2～8 kA時(shí)GIL導(dǎo)體和外殼的溫度,對(duì)負(fù)載電流為8 kA時(shí)的GIL進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并對(duì)8 kA GIL建立模型進(jìn)行仿真計(jì)算,研究發(fā)現(xiàn)解析計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差很小[13]。Sun等建立了一種解析方法用于研究GIL的電熱耦合問題,該方法通過計(jì)算功率損耗和熱量,考慮對(duì)流和輻射傳熱對(duì)GIL進(jìn)行熱分析,還將解析計(jì)算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者間具有一致性[14]。

綜上所述,國(guó)內(nèi)有關(guān)特高壓GIL熱特性的研究相對(duì)來說還不夠完善。通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行GIL熱特性的研究成本非常高,有限元仿真方法計(jì)算量大,一般不能作為子程序嵌入到GIL溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。本文發(fā)展了一種計(jì)算快捷、可嵌入系統(tǒng)程序的節(jié)點(diǎn)解析法。基于文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)該方法的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。利用該方法,根據(jù)蘇通GIL管廊工程的運(yùn)行工況特點(diǎn),以某國(guó)產(chǎn)1 100 kV的GIL產(chǎn)品為研究對(duì)象,分析了GIL材質(zhì)、環(huán)境溫度、負(fù)載電流、不同管道內(nèi)壓等對(duì)其熱特性的影響。

1 基于能量守恒的節(jié)點(diǎn)解析法

1.1 GIL傳熱模型

由于焦耳熱損,GIL在運(yùn)行的過程中一直處于發(fā)熱狀態(tài),其中導(dǎo)體和外殼為熱源,導(dǎo)體和外殼的功率損耗產(chǎn)生的熱量使其溫度升高,并向周圍環(huán)境散熱。當(dāng)發(fā)熱量與散熱量相等時(shí),GIL處于熱穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)導(dǎo)體和外殼的溫度不再發(fā)生變化,即穩(wěn)定溫度場(chǎng)[13]。

處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),導(dǎo)體的損耗以輻射方式和自然對(duì)流方式傳遞給外殼,GIL總體損耗以輻射和自然對(duì)流方式傳遞給周圍空氣,二者處于平衡狀態(tài),其熱量傳遞模型如圖1所示,滿足以下熱平衡方程

Pc+Pt=Qtc+Qtr

(1)

Pc=Qcc+Qcr

(2)

式中:Pc和Pt分別為導(dǎo)體和外殼每米的功率損耗;Qtc為外殼與空氣的自然對(duì)流換熱量;Qtr為外殼外表面的輻射散熱量;Qcc為導(dǎo)體和外殼間的對(duì)流換熱量;Qcr為導(dǎo)體外表面的輻射散熱量。

圖1 熱量傳遞模型圖

圖2給出了熱量傳遞等效節(jié)點(diǎn)圖。導(dǎo)體作為熱源,所產(chǎn)生的功率損耗引起導(dǎo)體溫度Tc升高,導(dǎo)體和外殼間SF6氣體受Tc升高的影響,要進(jìn)行熱量Qc傳遞,Tc穩(wěn)定時(shí)產(chǎn)生熱平衡,即Pc=Qc。受感應(yīng)電場(chǎng)的影響,外殼也將產(chǎn)生功率損耗,Qc與Pt共同作用于環(huán)境空氣,使環(huán)境空氣進(jìn)行散熱,此熱量Qt傳遞過程最終也將達(dá)到平衡,即Pc+Pt=Qt。

R1表示導(dǎo)體和外殼間的熱阻;R2表示SF6氣體和環(huán)境空氣間的熱阻;I為額定電流;Rc和Rt分別為單相導(dǎo)體和外殼的電阻;Tt為外殼的溫度圖2 熱量傳遞等效節(jié)點(diǎn)圖

1.2 GIL的功率損耗

GIL的損耗是導(dǎo)體和外殼損耗之和。計(jì)算導(dǎo)體功率損耗時(shí),因其鄰近效應(yīng)系數(shù)為1且阻抗較小,故不考慮不平衡電流的影響。計(jì)算外殼功率損耗時(shí),因GIL采用全連式結(jié)構(gòu),渦流損耗很小,可忽略不計(jì)。由電磁感應(yīng)引起的GIL外殼接地線、外殼、大地間的環(huán)流損耗量與具體的施工工程有關(guān),一般來說該耗散量也很小,本文按照嚴(yán)酷工況對(duì)GIL功率損耗進(jìn)行計(jì)算,外殼的電磁感應(yīng)電流應(yīng)取為導(dǎo)體通入電流的有效值,又因?yàn)楸疚难芯康奶K通1 100 kV GIL的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20 m,故外殼的感應(yīng)電流采用導(dǎo)體額定電流[15]。

流經(jīng)導(dǎo)體的電流值與外殼的感應(yīng)電流值相等,導(dǎo)體與外殼的功率損耗可表示為

Pc=I2Rc

(3)

Pt=I2Rt

(4)

其中

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:Kc為導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù);ρc為導(dǎo)體的直流電阻率;Ta為環(huán)境溫度;αc為導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù);Dci為導(dǎo)體內(nèi)徑;Cc為導(dǎo)體壁厚;Kt為外殼的集膚效應(yīng)系數(shù);ρt為外殼的直流電阻率;αt為外殼的電阻溫度系數(shù);Dti為外殼內(nèi)徑;Ct為外殼壁厚。

1.3 GIL傳遞的熱量

對(duì)于不同的敷設(shè)方式,GIL的熱計(jì)算各不相同。本文主要考慮水平敷設(shè)方式,且GIL不受太陽(yáng)輻射作用。外殼與外界空氣間的對(duì)流方式不同,外殼的對(duì)流散熱量也不相等,本文主要考慮外殼與外界空氣的自然對(duì)流。GIL在水平敷設(shè)時(shí),沿長(zhǎng)度方向的溫度分布是均勻的,取單位長(zhǎng)度GIL母線作為計(jì)算對(duì)象。

導(dǎo)體與外殼封閉空間內(nèi)的SF6絕緣氣體因溫度差異產(chǎn)生自然對(duì)流,因此兩者之間的換熱量取決于Pr和Gr,即

(9)

(10)

式中:Pr為絕緣氣體普朗特?cái)?shù);Gr為絕緣氣體格拉曉夫數(shù);Cp為絕緣氣體比定壓熱容;μ為絕緣氣體運(yùn)動(dòng)黏度;g為重力加速度;Rti為外殼內(nèi)半徑;Rco為導(dǎo)體外半徑;β為絕緣氣體的容積膨脹系數(shù)

(11)

(12)

其中Td為SF6氣體的定性溫度。

導(dǎo)體與外殼間的自然對(duì)流換熱量為

(13)

式中:Dco為導(dǎo)體外徑;λe為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

λe=0.4λ(GrPr)0.2

(14)

對(duì)于導(dǎo)體對(duì)外殼的輻射散熱,根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律,從導(dǎo)體到外殼的輻射散熱量為

Qcr=

(15)

式中:C0為斯忒藩-玻爾茲曼常量,即黑體輻射系數(shù),值為5.67 W/(m·K);εc為導(dǎo)體外表面黑度,表面光滑鋁一般為0.04～0.06,表面涂無光澤漆鋁一般為0.85～0.90;εt外殼內(nèi)表面黑度。

外殼與空氣的對(duì)流換熱量為

Qtc=hπDto(Tt-Ta)

(16)

(17)

式中:h為空氣對(duì)流換熱系數(shù);Nua為空氣的努塞爾數(shù);λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù);Dto為外殼外徑。

式(16)在無風(fēng)條件下,廊道內(nèi)部外殼與空氣間的對(duì)流換熱是自然對(duì)流換熱,空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)可由式(18)～(22)進(jìn)行計(jì)算

Nua=C(GraPra)n

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

式中:C和n為常量;Gra為空氣的格拉曉夫數(shù);Pra為空氣的普朗特?cái)?shù);Cp,a為空氣的比定壓熱容;βa為空氣的容積膨脹系數(shù);μa為空氣的黏度;Tda為空氣定性溫度,代表外殼周圍氣流的平均溫度。

式(16)在通風(fēng)條件下,廊道內(nèi)部外殼與空氣間的對(duì)流換熱是強(qiáng)迫對(duì)流換熱。通風(fēng)時(shí),空氣沿管長(zhǎng)方向流動(dòng),故外殼與空氣的強(qiáng)迫對(duì)流換熱可看成外掠平板的強(qiáng)迫對(duì)流換熱,空氣的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)可由式(22)～(25)進(jìn)行計(jì)算[16]

Nua=0.664Rea0.5Pra1/3,Rea<5×105

(23)

Nua=(0.037Rea0.8-871)Pra1/3

5×105≤Rea<107

(24)

(25)

式中:Rea為空氣的雷諾數(shù);v為空氣流速。

單相GIL的外殼對(duì)周圍空氣的輻射散熱量為

(26)

1.4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

SF6氣體的密度與壓力、溫度的關(guān)系可用Beattie-Bridgman公式計(jì)算

P=[56.2ρT(1+B)-ρ2A]×10-6

(27)

A=74.9(1-0.727×10-3ρ)

(28)

B=2.51×10-3ρ(1-0.846×10-3ρ)

(29)

式中:T為絕對(duì)溫度;ρ為SF6氣體的密度;P為SF6氣體的壓強(qiáng)。

蘇通GIL絕緣氣體壓強(qiáng)為0.4 MPa,額定電流為6 300 A。利用式(27)～(29)計(jì)算得到的不同環(huán)境溫度下SF6氣體的密度如表1所示,環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)不同管道內(nèi)壓下絕緣氣體SF6的密度如表2所示。

表1 不同環(huán)境溫度下SF6氣體密度(P=0.4 MPa)

表2 不同管道內(nèi)壓下SF6氣體密度(Ta=25 ℃)

1.5 計(jì)算模型的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)GIL導(dǎo)體和外殼的溫度,建立了基于能量守恒熱平衡狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)解析法,其計(jì)算流程如圖3所示。首先,根據(jù)具體的GIL結(jié)構(gòu)給定導(dǎo)體和外殼的初始溫度,計(jì)算導(dǎo)體和外殼的電阻率和集膚效應(yīng)系數(shù),從而得到導(dǎo)體和外殼的初始功率損耗。通過式(16)和(26)計(jì)算外殼的對(duì)流傳熱量和輻射散熱量Δ1,當(dāng)小于5%時(shí),通過式(13)和(15)計(jì)算導(dǎo)體的對(duì)流傳熱量和輻射散熱量Δ2,如果大于5%,更新導(dǎo)體溫度,重新計(jì)算,直至Δ1和Δ2都小于5%時(shí),便可獲得導(dǎo)體和外殼的溫度。基于上述流程,編制相應(yīng)的計(jì)算程序,從設(shè)置好輸入工況參數(shù)至輸出計(jì)算結(jié)果用時(shí)約2 s,可見該方法計(jì)算快捷。算法中溫度改變時(shí),迭代步長(zhǎng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的GIL測(cè)溫裝置的精度進(jìn)行設(shè)置,而導(dǎo)體和外殼的初始迭代溫度與初始環(huán)境溫度保持一致。為計(jì)算方便,本文設(shè)置溫度迭代步長(zhǎng)為0.1 ℃,導(dǎo)體和外殼的初始迭代溫度為25 ℃。

圖3 熱平衡狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)解析法計(jì)算流程圖

用本文的方法計(jì)算文獻(xiàn)[13]中實(shí)驗(yàn)對(duì)象GIL,GIL的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 GIL結(jié)構(gòu)參數(shù)[13]

當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃、導(dǎo)體通過電流為8 kA時(shí),導(dǎo)體和外殼的溫度計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[13]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較如表4所示。

表4 解析法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]比較

從表4中可以看到,解析法計(jì)算得到的導(dǎo)體溫度為68 ℃,外殼溫度為40 ℃,與文獻(xiàn)[13]中實(shí)驗(yàn)得到的導(dǎo)體和外殼溫度的誤差分別為0.74%和1.48%,表明本文發(fā)展的節(jié)點(diǎn)解析法計(jì)算準(zhǔn)確度較高。下面將結(jié)合蘇通GIL管廊工程的運(yùn)行工況特點(diǎn),利用節(jié)點(diǎn)解析法來預(yù)測(cè)某國(guó)產(chǎn)1 100 kV的GIL產(chǎn)品不同條件下的熱特性。

2 不同條件下GIL熱特性計(jì)算結(jié)果分析

首先針對(duì)國(guó)內(nèi)某公司的兩種不同材料的1 100 kV GIL產(chǎn)品,結(jié)合蘇通廊管可能的運(yùn)行基本工況,分析蘇通GIL廊管熱特性的差異。GIL結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料如表5所示,其中A類材料導(dǎo)體為6101,外殼為5052;B類材料導(dǎo)體為6A02,外殼為5A02。

表5 GIL結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料

各材料在20 ℃時(shí)的電阻率:6101為3×10-8Ω·m,5052為5×10-8Ω·m,6A02為3.5×10-8Ω·m,5A02為4.8×10-8Ω·m。導(dǎo)體外表面和外殼內(nèi)表面均涂有無光澤漆,其黑度均為0.85,通過計(jì)算得到空氣的自然對(duì)流系數(shù)為4.2 W/(m2·K)。

蘇通1 100 kV GIL假定的基本運(yùn)行工況及溫度要求為:SF6氣體壓強(qiáng)為0.4 MPa,額定電流為6 300 A,廊道出口氣流溫度不高于37 ℃,廊道內(nèi)部的環(huán)境溫度不高于43 ℃。實(shí)際運(yùn)行中,導(dǎo)體電流存在波動(dòng)現(xiàn)象,故本文研究考慮負(fù)載電流分別為4 000、5 000、6 300 A的情況。

針對(duì)蘇通1 100 kV GIL可能存在的運(yùn)行工況,本研究的工況參數(shù)如表6所示。

表6 本文研究的工況參數(shù)

2.1 環(huán)境溫度對(duì)GIL熱特性的影響

圖4給出了不同環(huán)境溫度下I=6 300 A時(shí)GIL的溫度計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出,在負(fù)載電流為6 300 A時(shí),環(huán)境溫度與GIL溫度呈線性正比關(guān)系,即隨著環(huán)境溫度的升高,GIL的溫度也將升高,因此環(huán)境溫度對(duì)GIL的運(yùn)行溫度影響顯著,在實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行有效的監(jiān)控。兩種不同材料的GIL其溫升曲線的斜率基本是一致的,同一環(huán)境下A類材料導(dǎo)體溫度一般比B類材料的低5 ℃左右,但外殼溫度幾乎相同,也就是說GIL的材料對(duì)GIL內(nèi)部的母線導(dǎo)體運(yùn)行溫度影響很大,而外殼的溫度對(duì)其并不敏感。就降低GIL內(nèi)部導(dǎo)體運(yùn)行溫度來說,A類材料將更為適用。環(huán)境溫度為25 ℃時(shí),GIL外殼溫度接近43 ℃,周圍氣流溫度接近37 ℃?？梢?自然對(duì)流情況下,為保證GIL的安全穩(wěn)定運(yùn)行,環(huán)境溫度應(yīng)調(diào)控在25 ℃以下或者改變外殼的對(duì)流換熱方式,譬如對(duì)廊道通過氣源泵供氣來加大外殼與周圍氣流的熱交換量。

圖4 不同環(huán)境溫度下I=6 300 A時(shí)的GIL溫升

(a)A類材料

(b)B類材料圖5 不同環(huán)境溫度和負(fù)載電流下兩種材質(zhì)的導(dǎo)體溫度

圖5給出了不同環(huán)境溫度和負(fù)載電流下兩種材質(zhì)的導(dǎo)體溫度。從圖中可以看出,各負(fù)載電流下,導(dǎo)體溫度隨著環(huán)境溫度的變化同樣能保持正比線性關(guān)系,表明導(dǎo)體溫度隨環(huán)境溫度的變化率不受GIL材料和負(fù)載電流的影響。這可能與其固定的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨著負(fù)載電流的加大,電阻產(chǎn)生的損耗能量加大,導(dǎo)體的溫度勢(shì)必上升?？梢钥吹?就A類材料GIL而言,負(fù)載電流從4 000 A到5 000 A時(shí),導(dǎo)體溫度上升了13 ℃,5 000 A到6 300 A時(shí),導(dǎo)體溫度上升了20 ℃;就B類材料GIL而言,上述兩種負(fù)載電流變化下,導(dǎo)體溫度分別上升了14、22 ℃。可見,GIL運(yùn)行過程中,A類材料的GIL具有相對(duì)較低的運(yùn)行溫度,同時(shí)若負(fù)載電流波動(dòng)較大,導(dǎo)體產(chǎn)生溫度波動(dòng)誘導(dǎo)的脈動(dòng)熱應(yīng)力。在實(shí)際運(yùn)行時(shí),負(fù)載電流的變化幅度應(yīng)保持在一定范圍,否則會(huì)引起導(dǎo)體的脈動(dòng)熱沖擊應(yīng)力,長(zhǎng)期運(yùn)行勢(shì)必影響導(dǎo)體的使用壽命。

2.2 負(fù)載電流對(duì)GIL熱特性的影響

不同負(fù)載電流下GIL的溫度計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6中可以看出,在環(huán)境溫度為25 ℃時(shí),GIL的溫度與負(fù)載電流間的關(guān)系近似呈指數(shù)函數(shù)形式變化,即隨著負(fù)載電流的增大,GIL溫度先緩慢增長(zhǎng)后迅速上升。兩種不同材料的GIL,負(fù)載電流不同時(shí)外殼溫度幾乎相等,因此負(fù)載電流的增大對(duì)外殼的溫度影響很小;隨著負(fù)載電流的增大,A、B兩類材料的溫差越來越大。從圖7中可以看出,兩種不同材料GIL導(dǎo)體的溫差與負(fù)載電流的關(guān)系也是呈指數(shù)函數(shù)形式變化的。

圖6 不同負(fù)載電流下GIL的溫升(Ta=25 ℃)

圖7 不同負(fù)載電流下A、B兩種材料GIL導(dǎo)體的溫差

2.3 管道內(nèi)壓對(duì)GIL熱特性的影響

GIL母線管道內(nèi)通常充有不同壓力的絕緣氣體,由于泄露的影響,運(yùn)行時(shí)管內(nèi)壓力會(huì)出現(xiàn)不同的變化。環(huán)境溫度為25 ℃和負(fù)載電流為6 300 A時(shí),不同管道內(nèi)壓下計(jì)算的GIL溫度如圖8所示。從圖中可以看出,管道內(nèi)壓增大,導(dǎo)體溫度會(huì)隨之下降,而外殼的溫度保持不變。同時(shí)可以看出:管道內(nèi)壓小于0.4 MPa時(shí),導(dǎo)體溫度下降較快;管道內(nèi)壓大于0.4 MPa時(shí),隨著管道內(nèi)壓的增大,導(dǎo)體溫降逐漸平緩。可見,在滿足絕緣性能的前提下,就降低GIL內(nèi)部導(dǎo)體溫度而言,為獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益,管道內(nèi)壓應(yīng)保持在0.4 MPa左右。此外,就兩種不同材料的GIL而言,其溫度變化趨勢(shì)基本一致,同一環(huán)境下A類材料的導(dǎo)體溫度一般比B類材料的低10 ℃左右,但外殼溫度基本相同。

圖8 不同管道內(nèi)壓下GIL的溫升

3 結(jié) 論

本文基于能量守恒原理,發(fā)展了一種GIL熱特性計(jì)算的節(jié)點(diǎn)解析法。通過與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了本文方法能夠準(zhǔn)確快捷地預(yù)測(cè)GIL溫度。針對(duì)國(guó)內(nèi)某公司的兩種不同材質(zhì)的1 100 kV GIL產(chǎn)品,結(jié)合蘇通廊管可能的運(yùn)行基本工況,研究了蘇通GIL廊管的熱特性,得出主要結(jié)論如下。

(1)材料、環(huán)境溫度、管內(nèi)壓力對(duì)導(dǎo)體溫度都有很大的影響,但對(duì)外殼溫度的影響并不顯著,因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)通過監(jiān)測(cè)得出的外殼溫度變化并不能反映GIL內(nèi)部導(dǎo)體溫度的變化,可能會(huì)引起危險(xiǎn)情況的漏檢,應(yīng)引起注意。

(2)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于兩種材料,不同工況對(duì)GIL導(dǎo)體和外殼的溫度影響趨勢(shì)一致,但A類材料相對(duì)更低,從降低導(dǎo)體、外殼溫度角度考慮,A類材料更適用。此外,GIL運(yùn)行過程中,若負(fù)載電流波動(dòng)較大,導(dǎo)體將產(chǎn)生隨溫度波動(dòng)而誘導(dǎo)的脈動(dòng)熱應(yīng)力,因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí),負(fù)載電流的變化幅度應(yīng)保持在一定范圍,否則會(huì)引起導(dǎo)體的脈動(dòng)熱沖擊應(yīng)力,長(zhǎng)期運(yùn)行勢(shì)必影響導(dǎo)體的使用壽命。

(3)環(huán)境溫度為15～45 ℃時(shí),環(huán)境溫度與導(dǎo)體和外殼溫度呈線性正比關(guān)系,且不受負(fù)載電流變化的影響。研究發(fā)現(xiàn),在自然對(duì)流條件下,環(huán)境溫度應(yīng)調(diào)控在25 ℃以下,或者改變外殼的對(duì)流換熱方式,譬如對(duì)廊道通過氣源泵供氣來加大外殼與周圍氣流的熱交換量,以降低環(huán)境溫度。

(4)負(fù)載電流為2 000～8 000 A時(shí),GIL溫度與負(fù)載電流間的關(guān)系近似呈指數(shù)函數(shù)形式,即隨著負(fù)載電流的增大,GIL溫度先緩慢增長(zhǎng)后迅速上升。

(5)管道內(nèi)壓增大,導(dǎo)體溫度會(huì)隨之下降,而外殼的溫度保持不變。此外,在滿足絕緣性能的前提下,就降低GIL內(nèi)部導(dǎo)體溫度而言,為獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益,管道內(nèi)壓應(yīng)保持在0.4 MPa左右。

參考文獻(xiàn):

[1] 孫濤, 陳福廣. 安全為計(jì), 主動(dòng)出擊: 南通海事全力保障蘇通GIL管廊工程建設(shè) [J]. 中國(guó)海事, 2017(3): 68-69.

SUN Tao, CHEN Guangfu. Take the initiative for safety purpose: Nantong MSA endeavor to secure the construction of Sutong GIL pipe rack project [J]. China Maritime Safety, 2017(3): 68-69.

[2] 特高壓蘇通GIL綜合管廊工程 [J]. 電力工程技術(shù), 2017(1): 2.

EHV Sutong GIL comprehensive pipe rack project [J]. Electric Power Engineering Technology, 2017(1): 2.

[3] 吳曉文, 舒乃秋, 李洪濤, 等. 氣體絕緣輸電線路溫升數(shù)值計(jì)算及相關(guān)因素分析 [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(1): 65-72.

WU Xiaowen, SHU Naiqiu, LI Hongtao, et al. Temperature rise numerical calculation and correlative factors analysis of gas-insulated transmission lines [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(1): 65-72.

[4] 靳一林, 舒乃秋, 鄒怡, 等. 氣體絕緣輸電線路溫升特性有限元分析 [J]. 電工電能新技術(shù), 2015(3): 29-34.

JIN YIlin, SHU Naiqiu, ZHOU YI, et al. Finite-element-analysis for characteristic of temperature rise in gas-insulated transmission lines [J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2015(3): 29-34.

[5] 張磊, 陳芯蕊, 張景鋒. 500 kV氣體絕緣金屬封閉輸電線路在泗涇變電站的應(yīng)用 [J]. 電力科學(xué)與工程, 2012(6): 64-68.

ZHANG Lei, CHEN Ruixin, ZHANG Jingfeng. Application 500 kV gas insulated transmission line in Sijing substation [J]. Electric Power Science and Engineering, 2012(6): 64-68.

[6] 李尹光, 丁中民, 徐文剛. 兩例氣體絕緣輸電線路(GIL)故障原因分析及處理 [J]. 電氣時(shí)代, 2016(11): 66-67.

LI Yinguang, DING Zhongmin, XU Wengang. Fault analysis and treatment of two gas-insulated transmission lines (GIL) [J]. Electric Age, 2016(11): 66-67.

[7] 嚴(yán)杰. 糯扎渡電廠500 kV GIS與GIL連接處波紋管外殼過熱的原因分析 [C]∥2014年云南電力技術(shù)論壇論文集. 昆明: 云南省電機(jī)工程學(xué)會(huì), 2014: 3-7.

[8] 朱雷鶴, 李祥. 淺析500 kV瓶窯變GIL管道母線熱伸縮問題及處理 [J]. 浙江電力, 2006, 25(5): 49-51.

ZHU Leihe, LI Xiang. Disposal method of GIL pipe bus thermal stretching in 500 kV Pingyao substation [J]. Zhejiang Electric Power, 2006, 25(5): 49-51.

[9] 李海波, 萬榮興, 方勇. 蘭州東變電站750 kV GIS母線筒缺陷原因分析 [J]. 高壓電器, 2010, 46(11): 12-15.

LI Haibo, WAN Rongxin, FANG Yong. Defect analysis of the 750 kV GIS busbar tube of the Lanzhoudong substation [J]. High Voltage Apparatus, 2010, 46(11): 12-15.

[10] CHAKIR A, KOCH H. Long term test of buried gas-insulated transmission lines (GIL) [C]∥Power Engineering Society Winter Meeting. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2003: 1326-1331.

[11] COOKSON A H, PEDERSEN B O. Thermal measurements in a 1 200 kV compressed gas insulated transmission line [C]∥Transmission and Distribution Conference and Exposition. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 1979: 163-167.

[12] MIZUKAMI T, SATO H, ANDOT N. Gas-insulated transmission cable with semi-prefabricated unit [J]. IEEE Transactions on Power Apparatus & Systems, 2007, 98(5): 1709-1716.

[13] HAM J K, KIM Y K, KIM J S, et al. Heat transfer in gas-insulated bus bars [C]∥ASME 2003 Heat Transfer Summer Conference. New York, USA: ASME, 2003: 453-459.

[14] SUN G, JIN X, XIE Z. Analytical calculation of coupled magnetothermal problem in gas insulated transmission lines [J]. Telkomnika, 2013, 11(4): 645.

[15] 阮全榮, 謝小平. 氣體絕緣金屬封閉輸電線路工程設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐 [M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2011: 28-29.

[16] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué) [M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2006: 212-217.