劉 揚(yáng)，慎志勇，鄧 川

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400)

GIL作為一種高電壓、大電流、長(zhǎng)距離的電力傳輸設(shè)備[1-3]，由于其輸電容量大，占地面積少，運(yùn)行成本低，環(huán)境友好和安全性高等顯著優(yōu)點(diǎn)[4-5]，逐漸替代架空線、電纜，成為發(fā)電廠電力外送的主要選擇[1-3]。特別是大型水電站，地處深山峽谷，由于特殊的地理環(huán)境，電力外送存在諸多限制因素，為了保障電力外送安全，很多大型水電站都選擇了GIL作為電力外送的輸送方式。

GIL運(yùn)行時(shí)，外殼會(huì)在電流傳導(dǎo)方向上因渦流感應(yīng)發(fā)熱而引起熱脹冷縮位移變化。在設(shè)計(jì)階段，對(duì)熱脹冷縮引起的位移變化不予充分的考慮，將會(huì)對(duì)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

傳統(tǒng)GIL外殼熱脹冷縮位移變化吸收與補(bǔ)償方式為：在外殼的電流傳導(dǎo)方向上，設(shè)置伸縮節(jié)，通過(guò)伸縮節(jié)在電流傳導(dǎo)方向上的伸縮變化，實(shí)現(xiàn)外殼熱脹冷縮位移變化的吸收與補(bǔ)償。伸縮節(jié)設(shè)置因要考慮外殼整體的機(jī)械強(qiáng)度，可以吸收與補(bǔ)償?shù)奈灰谱兓瘶O其有限，特別針對(duì)長(zhǎng)距離的GIL，熱脹冷縮位移變化量極大，亟需要一種可靠的方式對(duì)其熱脹冷縮位移變化進(jìn)行吸收與補(bǔ)償。

1 大電流通斷引起的熱脹冷縮位移變化

電流流過(guò)導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生熱量。根據(jù)電流的熱效應(yīng)Q=I2Rt，產(chǎn)生熱量的大小和電流的平方，導(dǎo)體本身的電阻值以及電流通過(guò)的時(shí)間成正比。

當(dāng)GIL流過(guò)電流時(shí)，其外殼因渦流感應(yīng)作用，會(huì)產(chǎn)生與傳導(dǎo)電流等值反向的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流因做功而發(fā)熱，外殼中的粒子會(huì)隨著溫度的升高而振動(dòng)幅度加大，在電流傳導(dǎo)方向上發(fā)生膨脹延長(zhǎng)。當(dāng)GIL停止運(yùn)行，溫度下降時(shí)，外殼中粒子的振動(dòng)幅度便會(huì)降低，在電流傳導(dǎo)方向上收縮變短。

某電站GIL采用上下分段懸掛式結(jié)構(gòu)，上下兩段之間用水平段連接，相關(guān)參數(shù)如表1所示。由熱脹冷縮位移量α=L×β×Δt(式中L為出線豎井高度；β為外殼材料ALmg3防銹鋁熱膨脹系數(shù)，Δt為導(dǎo)體/殼體的溫升)可知GIL外殼熱脹冷縮位移變化量為：上段出線豎井外殼熱脹冷縮位移量為343.4 mm；下段出線豎井外殼熱脹冷縮位移量為274.7 mm；水平段外殼熱脹冷縮位移量為279.3 mm。

表1 某電站GIL相關(guān)參數(shù)表

2 鉸鏈型波紋膨脹節(jié)對(duì)GIL外殼熱脹冷縮位移變化的吸收與補(bǔ)償

GIL在運(yùn)行中，由于渦流感應(yīng)和熱脹冷縮作用，其外殼在電流傳導(dǎo)方向上會(huì)發(fā)生一定量的位移。為了消除位移變化對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，需要對(duì)熱脹冷縮膨脹量進(jìn)行吸收與補(bǔ)償。

據(jù)前文可知，某電站上段豎井、下段豎井以及水平段外殼熱脹冷縮膨脹量達(dá)到了300 mm左右，采用常規(guī)的軸向伸縮節(jié)已經(jīng)難以滿足熱脹冷縮膨脹量的需求。為了吸收與補(bǔ)償長(zhǎng)距離GIL運(yùn)行中外殼熱脹冷縮位移的變化，經(jīng)過(guò)多種方案比選，該電站最終選擇使用鉸鏈型波紋膨脹節(jié)，見(jiàn)圖1。

圖1 鉸鏈型波紋膨脹節(jié)圖

該電站GIL鉸鏈型波紋膨脹節(jié)分別設(shè)置在水平段靠垂直段端頭以及水平段中部轉(zhuǎn)彎位置，以垂直段外殼熱脹冷縮為例，對(duì)鉸鏈型波紋膨脹節(jié)工作原理進(jìn)行說(shuō)明：GIL運(yùn)行時(shí)，垂直段的外殼受熱膨脹，在軸向方向伸長(zhǎng)，帶動(dòng)水平段母線向下運(yùn)動(dòng)，靠垂直段的鉸鏈型波紋膨脹節(jié)產(chǎn)生一個(gè)向下的角度，遠(yuǎn)離垂直段的鉸鏈型波紋膨脹節(jié)產(chǎn)生一個(gè)向上的角度，通過(guò)這種角度的改變可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直段外殼熱脹冷縮的吸收與補(bǔ)償。其工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 鉸鏈型波紋膨脹節(jié)工作原理圖

3 鉸鏈型波紋膨脹節(jié)中間段長(zhǎng)度的選擇

鉸鏈型波紋膨脹節(jié)，因自身偏轉(zhuǎn)角度限制，它在運(yùn)行時(shí)，一方面要保證GIL外殼熱脹冷縮膨脹量能被完全吸收與補(bǔ)償，另一方面，它的偏轉(zhuǎn)角度不能超過(guò)其最大允許偏差。通過(guò)對(duì)鉸鏈型波紋膨脹節(jié)工作原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)膨脹節(jié)中間段的長(zhǎng)度，對(duì)于熱脹冷縮位移量吸收與補(bǔ)償至關(guān)重要。

以前文所述電站為例，對(duì)鉸鏈型波紋膨脹節(jié)中間段長(zhǎng)度的選擇進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明。該電站使用的鉸鏈型波紋膨脹節(jié)最大允許偏差為4.5°,而內(nèi)部導(dǎo)體HM觸頭最大容許撓度是3.0°，因此，GIL在運(yùn)行時(shí)，鉸鏈型波紋膨脹節(jié)最大允許偏轉(zhuǎn)角度不能超過(guò)3°。

垂直段配備的鉸鏈型波紋膨脹節(jié)中間段長(zhǎng)度計(jì)算原理見(jiàn)圖3。

圖3 垂直段計(jì)算原理圖

從圖3中可知，sinφ=α/X(式中φ為鉸鏈波紋膨脹節(jié)偏轉(zhuǎn)角度；α為垂直段運(yùn)行中的伸長(zhǎng)量，X為一對(duì)鉸鏈?zhǔn)讲y膨脹節(jié)中間段的長(zhǎng)度)，因鉸鏈型波紋膨脹節(jié)最大允許偏轉(zhuǎn)角度不能超過(guò)3°，因此：上段出線豎井鉸鏈型波紋膨脹節(jié)中間段長(zhǎng)度≥6.56 m；下段出線豎井鉸鏈型波紋膨脹節(jié)中間段長(zhǎng)度≥5.25 m。

水平段配備的鉸鏈型波紋膨脹節(jié)中間段長(zhǎng)度計(jì)算原理見(jiàn)圖4。

圖4 水平段計(jì)算原理圖

圖4中φ1為水平段管母轉(zhuǎn)彎位置安裝角度；φ2為熱膨脹后的角度，從圖4中可知：

鉸鏈波紋膨脹節(jié)偏轉(zhuǎn)角度φ=φ1-φ2；

φ2=180°-tan-1(X·sin(180°-φ1))/(X·(180°-φ1)-279.3)

因鉸鏈型波紋膨脹節(jié)最大允許偏轉(zhuǎn)角度不能超過(guò)3°(即φ≤3°)，可以得知水平段管母鉸鏈?zhǔn)讲y膨脹節(jié)中間段長(zhǎng)度≮4.62 m，才能滿足熱脹冷縮位移變化的需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

GIL作為越來(lái)越多的電站與外界電網(wǎng)連接的通道，在設(shè)計(jì)階段，除考慮正常安裝因素之外，還得考慮投入運(yùn)行后，其外殼因渦流感應(yīng)發(fā)熱引起的在電流傳導(dǎo)方向上產(chǎn)生的熱脹冷縮大位移變化。在本文所述電站中，選擇使用鉸鏈?zhǔn)讲y膨脹節(jié)，實(shí)現(xiàn)懸掛式GIL熱脹冷縮大位移變化的吸收與補(bǔ)償，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在使用鉸鏈?zhǔn)讲y膨脹節(jié)對(duì)熱脹冷縮位移變化進(jìn)行吸收與補(bǔ)償時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1)鉸鏈?zhǔn)讲y膨脹節(jié)需要成對(duì)使用，單個(gè)使用并不能達(dá)到吸收和補(bǔ)償熱脹冷縮位移變化的目的；

2)成對(duì)使用的鉸鏈?zhǔn)讲y膨脹節(jié)，需要根據(jù)膨脹節(jié)最大允許偏轉(zhuǎn)角度以及內(nèi)部導(dǎo)體允許的最大偏轉(zhuǎn)角度，選擇合適的中間段長(zhǎng)度。