李增超，付江浩，王文豪，鄔安琪，張 煒，楊國華

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

目前特高壓直流輸電工程的輸送電壓高達(dá)百萬伏，提高電流的輸送值將極大的增強(qiáng)遠(yuǎn)距離電能輸送能力，對(duì)完成全國范圍內(nèi)的電力資源優(yōu)化配置具有重要的意義。直流場(chǎng)建設(shè)海拔的提高就必須要考慮其金具的載流的可靠性和耐熱性等問題，金具在高海拔下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)局部過熱而引發(fā)事故[1-2]。在昌吉換流站直流場(chǎng)中，金具與電力設(shè)備的抱夾連接部分出現(xiàn)局部過熱問題。本文應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)金具在不同海拔下進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，擬合出金具表面最高溫度與海拔之間的曲線關(guān)系。有限元仿真方法在力場(chǎng)、電場(chǎng)及多物理耦合場(chǎng)的計(jì)算中已有較為廣泛的應(yīng)用[3]。

1 金具結(jié)構(gòu)與有限元仿真計(jì)算

1.1 金具結(jié)構(gòu)

在直流場(chǎng)輸電中，發(fā)熱較為突出的部位是抱夾結(jié)構(gòu)。為了研究連接金具在高海拔的發(fā)熱規(guī)律，本文對(duì)其不同類型的抱夾金具做模型設(shè)計(jì)。金具模型連接圖及加載電流方向如圖1所示，電流流經(jīng)載流排、管母線、抱夾、導(dǎo)線等部位。

圖1 金具模型

在圖1金具模型中抱夾A為三分裂抱夾，抱夾B為二分裂抱夾，抱夾C為長(zhǎng)筒型抱夾。對(duì)不同類型的抱夾金具進(jìn)行溫升對(duì)比仿真，通過管母線連接不同類型的抱夾金具，保證通流條件一致。

圖2中(a)(b)為三分裂抱夾，(c)(d)為二分裂抱夾。(a)(c)為原始結(jié)構(gòu)，針對(duì)每種抱夾，增加了散熱翅的設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)于(b)(d)。

圖2 不同類型抱夾

圖3 溫度場(chǎng)計(jì)算流程

1.2 溫度場(chǎng)計(jì)算流程

本文采用有限元仿真分析方法，進(jìn)行電流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合計(jì)算仿真計(jì)算。首先對(duì)金具模型做電流場(chǎng)計(jì)算，得到連接金具各有限單元的焦耳熱，以此為基礎(chǔ)再對(duì)其做溫度場(chǎng)計(jì)算，得到金具的溫度場(chǎng)分布[4]。計(jì)算流程如圖3所示。

在圖3溫度場(chǎng)計(jì)算流程中，計(jì)算載流連接金具在額定載流下的溫度場(chǎng)分布，所用導(dǎo)體材料導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)熱率隨溫度變化，可由關(guān)于溫度的函數(shù)擬合得到，如式(1)式(2)所示[5]。

φAL=0.23T+38.51

(1)

γAL=2.326×107×(1+0.0043×(T-293.15))

(2)

式中：φAL—導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；T—溫度，K；γAL—電導(dǎo)率，S/m。

1.3 不同海拔高度對(duì)金具表面最高溫度的影響

對(duì)流換熱是換流站金具實(shí)際運(yùn)行時(shí)的主要散熱方式。對(duì)流換熱是換流站金具在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的主要散熱方式。對(duì)流換熱系數(shù)的大小取決于貼近金具表面空氣的溫度變化率和導(dǎo)熱能力，而空氣的導(dǎo)熱能力又與空氣的密度相關(guān)。對(duì)流換熱過程的前提是空氣和金具之間存在溫度差，在熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的兩種機(jī)制下與空氣之間的熱傳遞過程。運(yùn)用相似解對(duì)金具和空氣的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行研究，采用換熱試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

(3)

式中，Num為金具表面平均換熱系數(shù)組成的努賽爾數(shù)，熱邊界的溫度采用平均溫度。Pr為普朗特系數(shù)，常量系數(shù)C，m值取決于格拉曉夫數(shù)Gr，如表1所示[6-7]。

表1 常量系數(shù)C與n的取值表

再通過對(duì)針對(duì)格拉曉夫數(shù)、努塞爾數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式的等效代換，可以計(jì)算得到不同海拔下的對(duì)流換熱系數(shù)，如表2所示[8-9]。

表2 不同海拔高度下的對(duì)流換熱系數(shù)表

2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同類型抱夾仿真結(jié)果分析

針對(duì)不同類型抱夾加載額定電流5000 A，為避免每種抱夾金具對(duì)其他金具的影響，將每種類型的金具的熱場(chǎng)分布進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。圖4、圖5為抱夾溫度分布圖。

圖4 三分裂抱夾溫度分布 圖5 二分裂抱夾溫度分布

圖4為通過仿真計(jì)算單獨(dú)得到的三分裂抱夾溫度分布。抱夾a處(圖4中左端)溫升為 328.8 K，抱夾b(圖4中右端)處溫升為 326 K，可以看出，散熱翅的設(shè)計(jì)增大了金具表面的散熱面積，散熱面積增加了四分之一，一定程度上降低了抱夾溫升。同樣的規(guī)律也出現(xiàn)在二分裂抱夾上，裝有散熱翅和未裝散熱翅的二分裂抱夾溫度分別為 329.1 K、326.8 K。

2.2 典型抱夾金具仿真結(jié)果分析

在不同海拔對(duì)連接金具加載額定電流5000 A，分別計(jì)算典型抱夾金具在海拔0～5000 m處的溫升情況，圖6為不同海拔高度下抱夾金具表面最高溫度場(chǎng)分布。

圖6 不同海拔下抱夾金具表面溫度場(chǎng)分布圖

通過對(duì)典型抱夾金具在不同高度做有限元分析，做出金具表面的最高溫度隨海拔高度變化的曲線圖。

從圖7中可以看出，隨著海拔高度的增長(zhǎng)，銅端子金具表面最高溫度值隨海拔高度的變化曲線關(guān)系近似成線性。通過對(duì)海拔-銅端子盒金具表面最高溫度進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線斜率為15.1×10-4，擬合后的R方值為0.9784，擬合結(jié)果良好。計(jì)算時(shí)，該線夾分裂導(dǎo)線上(溫升最大值位置)的通流密度為7.02×10-5A/m-2。

圖7 抱夾金具表面最高溫度值隨海拔的變化曲線圖

通過改變對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)不同海拔高度金具表面的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果可以看出，金具表面溫度的最大值隨海拔高度的變化基本呈線性分布。

3 結(jié)論

本文以典型抱夾金具為研究對(duì)象，依據(jù)直流工程項(xiàng)目中常用圖紙建立了電磁-熱三維有限元仿真計(jì)算模型，得到了穩(wěn)態(tài)條件下的溫升時(shí)仿真計(jì)算結(jié)果。研究分析了同類型金具不同結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響和海拔對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，得到了典型抱夾金具溫度場(chǎng)分布和典型抱夾金具表面最高溫度隨海拔的變化曲線圖。得到以下結(jié)論：

1)利用有限元仿真分析可以得到典型抱夾金具在不同高度下，金具表面的溫度場(chǎng)分布情況，為金具的工程設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，提高金具的可靠性。

2)仿真分析結(jié)果顯示帶有散熱翅的抱夾相對(duì)于同類型抱夾，散熱面積提高了25%左右，其表面最高溫度要低2到3度。金具設(shè)計(jì)時(shí)增加散熱面積，可有效降低表面最高溫度，提高金具通流能力。

3)仿真分析了海拔高度對(duì)金具表面溫度場(chǎng)分布的變化，結(jié)果表明，隨著海拔高度升高，金具表面溫度最大值近似線性升高，從0 m海拔至5000 m海拔，金具表面最高溫度可相差8 ℃。