吳昊，彭宗仁，楊媛，王加龍

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安市 710048；2.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

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閥廳金具大電流溫升試驗(yàn)及仿真計(jì)算

吳昊1，彭宗仁1，楊媛2，王加龍1

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安市 710048；2.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

隨著直流輸電容量的不斷提升，對(duì)閥廳金具通流容量，載流的可靠性、耐熱性提出了更高的要求。在直流輸電工程中，閥廳金具承擔(dān)著電力設(shè)備的電氣連接、機(jī)械固定及均壓屏蔽的作用。其運(yùn)行電流大、工作電壓高、散熱條件較差，因此研究容量提升后現(xiàn)有閥廳金具的運(yùn)行可靠性十分必要。以2種閥廳典型金具為研究對(duì)象，應(yīng)用等效圓柱體模擬接觸電阻，以及電-熱耦合方法對(duì)金具溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行了大電流溫升試驗(yàn)，使用紅外熱像儀等設(shè)備測(cè)量分析了鋁排、絞線的分流不均現(xiàn)象，以及焊接、螺栓連接處的局部過熱現(xiàn)象。大電流溫升試驗(yàn)及仿真分析表明：在電流為5.62 kA時(shí)，試品金具存在局部過熱及分流不均的現(xiàn)象，仿真結(jié)果與試驗(yàn)吻合。

容量提升；閥廳金具；溫升試驗(yàn)；電熱耦合場(chǎng)

0 引 言

目前特高壓直流輸電工程的額定輸送電壓已達(dá)800 kV，在不顯著升高系統(tǒng)絕緣水平的基礎(chǔ)上，提高輸送電流至6.25 kA，將增強(qiáng)遠(yuǎn)距離電能輸送能力，對(duì)完成全國(guó)范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置具有重要意義。提高輸送電流需要充分考慮線路、電力設(shè)備、閥廳金具載流的可靠性、耐熱性及衍生問題。

在換流站閥廳中，閥廳金具用來完成套管，閥塔等電力設(shè)備的電氣連接、機(jī)械固定以及均壓屏蔽。閥廳金具工作在封閉空間，基本處于自然對(duì)流狀態(tài)，同時(shí)承擔(dān)著全電流的傳輸作用[1]，因此運(yùn)行電流的提升容易使金具出現(xiàn)局部過熱而引發(fā)事故。另一方面，閥廳內(nèi)金具種類繁多，在技術(shù)上需考慮防電暈要求、機(jī)械強(qiáng)度要求、載流量要求、耐熱性要求[2]。目前我國(guó)尚無關(guān)于閥廳金具運(yùn)行溫度的標(biāo)準(zhǔn)，閥廳金具的大電流溫升試驗(yàn)也鮮有報(bào)道。在本文中，對(duì)2種現(xiàn)有閥廳典型金具進(jìn)行了大電流溫升試驗(yàn)，分析了容量提升后現(xiàn)有閥廳金具能否穩(wěn)定運(yùn)行的問題。重點(diǎn)研究在大電流溫升試驗(yàn)中絞線、鋁排的分流問題，以及絞線與聯(lián)板連接處、鋁排與抱箍連接處的局部過熱問題。

本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)閥廳金具的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，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[3-7]。文獻(xiàn)[3]采用使用二維有限元模型，對(duì)直流電纜在階躍電壓下的電熱耦合場(chǎng)進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[4]對(duì)電觸頭的結(jié)構(gòu)-電-熱耦合場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真。文獻(xiàn) [5]使用有限元方法計(jì)算了小型直流電磁繼電器的溫度場(chǎng)。文獻(xiàn)[6]對(duì)電磁脈沖環(huán)境下電磁繼電器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[7]分析計(jì)算了套管中相互耦合的溫度場(chǎng)和電場(chǎng)。與以上文獻(xiàn)的研究對(duì)象相比，本文的金具試品具有形狀復(fù)雜，散熱條件差，負(fù)荷電流大的特點(diǎn)。文中對(duì)金具試品在給定電流下的溫升情況進(jìn)行了三維有限元仿真，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。同時(shí)預(yù)測(cè)了加載電流提升至6.25 kA時(shí)試品的溫度分布。

1 大電流溫升試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)布置及金具試品

金具大電流溫升試驗(yàn)在大電流實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，室內(nèi)溫度能夠進(jìn)行小范圍調(diào)節(jié)。試驗(yàn)電源的最大輸出電流為6 kA，通過主控臺(tái)可以對(duì)輸出電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，輸出電壓低于人體安全電壓36 V，在試驗(yàn)中可使用紅外熱像儀和熱電偶對(duì)金具試品表面溫度進(jìn)行測(cè)量。

被測(cè)試品分為絞線類及鋁排類，如圖1所示。其中金具A為絞線類，金具B為鋁排類。金具A由抱箍、絞線、聯(lián)板、線夾組成，用于400 kV套管頭部的引流。在運(yùn)行時(shí)，抱箍及鑄鐵桿件完成固定承重，8分裂絞線實(shí)現(xiàn)引流，絞線與管母通過抱箍連接。金具B由抱箍I、抱箍II、鋁排組成，用于400 kV穿墻套管頭部與管母的連接，6組鋁排完成引流。金具B的螺栓均使用力矩扳手按照?qǐng)D紙要求安裝，使分流盡可能均勻。

1.2 大電流溫升試驗(yàn)結(jié)果

為了研究容量提升后大電流對(duì)現(xiàn)有金具溫度場(chǎng)的影響，保證試驗(yàn)電源的安全運(yùn)行，故以5.62 kA作為試驗(yàn)加載電流。待金具溫度穩(wěn)定后，分別使用熱電偶及紅外熱像儀測(cè)量金具表面溫度，試驗(yàn)環(huán)境溫度為26 ℃。

絞線及鋁排上均有3個(gè)熱電偶測(cè)量點(diǎn)，且位置相似：左、右測(cè)量點(diǎn)距離端部100 mm，中測(cè)量點(diǎn)為絞線、鋁排的中點(diǎn)。同時(shí)使用鉗形電流表測(cè)量了每根絞線及每組鋁排的載流量，測(cè)量值如表1、2所示。

圖1 被測(cè)金具試品

表2 金具B鋁排溫度及電流測(cè)量值

由表1、2可以看出，受到接觸電阻的影響，絞線及鋁排分流不均勻，其中螺栓連接鋁排的不均勻程度比焊接連接的絞線更大，絞線載流量的最大比值為1.87，鋁排載流量的最大比值為2.4，金具A絞線最大溫升為23 ℃，最大溫差10 ℃，金具B鋁排最大溫升為61 ℃，最大溫差31 ℃。載流不均勻是造成金具的局部過熱的因素之一，影響金具長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

使用紅外熱像儀對(duì)金具A、B的整體溫度分布進(jìn)行了測(cè)量，其溫度分布如圖2所示。

圖2 試品表面溫度分布

由圖2可以看出，受接觸電阻及熱阻的影響，金具A絞線和聯(lián)排焊接處溫度為58 ℃；金具B鋁排和抱箍螺栓連接處溫度為97 ℃；分別為2種金具的溫度最高點(diǎn)。閥廳金具焊接及螺栓緊固造成的接觸電阻是引起金具局部過熱的主要因素。考慮到?jīng)]有關(guān)于閥廳金具的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在本文中，使用DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》[8]來評(píng)估金具的發(fā)熱情況。在本溫升試驗(yàn)中，金具B最高溫度為97 ℃，相對(duì)環(huán)境溫升為71 ℃，金具自身溫差為31 ℃，屬于嚴(yán)重缺陷。

2 有限元仿真計(jì)算

2.1 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)耦合仿真計(jì)算。首先通過電流場(chǎng)計(jì)算，得到金具各節(jié)點(diǎn)處電流矢量及各有限元單元的焦耳熱，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，得到金具的溫度場(chǎng)分布?？紤]到金屬的電阻率隨溫度變化，可在不同溫度下測(cè)量金具所用材料的電阻率，作為仿真計(jì)算的材料參數(shù)，反復(fù)迭代直至收斂，得到金具試品的溫度場(chǎng)分布。計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 溫度場(chǎng)計(jì)算流程

在建模過程中，絞線和抱箍的焊接處以及鋁排和聯(lián)板的螺栓連接處的接觸電阻用圓柱體等效模擬。根據(jù)電接觸理論，圓柱體的半徑及長(zhǎng)度為

(1)

式中：R為電阻值;ρ為材料電阻率;a為接觸電阻半徑;l為圓柱體長(zhǎng)度[9]。

2.2 溫度場(chǎng)計(jì)算原理及邊界條件

電流流過閥廳金具時(shí)產(chǎn)生焦耳熱，在發(fā)熱過程中通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射與周邊介質(zhì)進(jìn)行熱交換，熱交換過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率及邊界條件均隨著時(shí)間變化。瞬態(tài)熱平衡方程為

CT′+KT=Q

(2)

式中：C為比熱矩陣；T′為節(jié)點(diǎn)溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)向量；K為傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)流換熱系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量；Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含生熱率[10]。在應(yīng)用有限元法求解溫度場(chǎng)分布時(shí)，可以使用變分原理，將式等價(jià)為其泛函形式，進(jìn)而進(jìn)行求解[6]，如式(3)所示。

(3)

式中：I為熱流率，W；K為導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m·K)；T為金具各節(jié)點(diǎn)溫度，℃；qv為單位體積熱源的生成率，W/m3；α為散熱系數(shù)，W/(m2·K)；T0為周圍介質(zhì)溫度，℃。

金具一般是通過對(duì)流散熱和輻射散熱與外界進(jìn)行熱交換，而內(nèi)部熱傳遞的主要方式是傳導(dǎo)。傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射這3種方式的熱傳遞的速率方程分別為

(4)

式中：Φ為熱流率，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m·K)；t為溫度，℃；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A為金具的對(duì)流面積，m2；Δt為金具與環(huán)境溫度差，℃；ε為發(fā)射率；A1為金具的輻射面積，m2；σ為黑體輻射常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4);T1、T2分別為金具表面溫度及環(huán)境溫度，℃[11]。

在工程應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常將對(duì)流散熱及輻射散熱等效為熱交換邊界條件，根據(jù)牛頓散熱定律，金具與氣體熱交換邊界條件可以表示為

(5)

式中α為散熱系數(shù)[12]，本文在金具模型加載邊界條件時(shí)采用了這種簡(jiǎn)化方法。仿真計(jì)算中，金具模型各材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)表(20 ℃)

Table 3 Material parameters (20 ℃)

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 加載5.62 kA電流

加載電流為5.62 kA時(shí)，閥廳金具的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，金具A聯(lián)板及抱箍焊接處溫度較高，金具B抱箍螺栓連接處溫度較高，與金具電流溫升試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。絞線和鋁排端部溫度高，中間溫度稍低，絞線和鋁排的仿真值與實(shí)測(cè)值誤差在5 ℃以內(nèi)。

表4、5對(duì)比了仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值，可以看出除金具B的抱箍II螺栓連接處以外，金具A、B各關(guān)鍵處仿真結(jié)果與溫升試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

在計(jì)算過程中，金具各部分的散熱系數(shù)與試驗(yàn)存在一定的偏差，導(dǎo)致仿真結(jié)果存在一定誤差。對(duì)于金具B，由于螺栓連接處的鋁排和抱箍表面接觸存在空隙，在空隙處熱量是以對(duì)流和輻射的方式傳遞的，因此鋁排和抱箍之間存在著接觸熱阻[9]。在本文仿真計(jì)算中忽略了接觸熱阻，這是金具B螺栓連接處誤差較大的原因。

圖4 溫度分布仿真結(jié)果(5.62 kA)

℃

表5 金具B溫度實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比(5.62 kA)

℃

3.2 加載6.25 kA電流

3.2.1 溫升試驗(yàn)條件下溫度分布

通過對(duì)比上述仿真與試驗(yàn)結(jié)果，證明本文所采用的順序耦合有限元仿真方法可以有效地計(jì)算出閥廳金具在電流激勵(lì)下的溫度場(chǎng)分布。因此，可用上述計(jì)算方法對(duì)金具A加載6.25 kA電流，計(jì)算原溫升試驗(yàn)條件下，容量提升后閥廳金具溫度場(chǎng)分布。

金具A加載電流為6.25 kA時(shí)的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖5所示。環(huán)境溫度為26 ℃，金具A最高溫度為58 ℃，最大溫升約32 ℃，各絞線及連接部分溫度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，溫度梯度較小，仍能夠滿足運(yùn)行要求。

圖5 金具A溫度分布仿真結(jié)果(6.25 kA)

3.2.2 分流均勻條件下溫度分布

由前文分析可以得出，分流不均是造成金具局部過熱的原因之一。以金具B為例，分別計(jì)算在溫升試驗(yàn)條件、分流均勻條件下金具B溫度場(chǎng)分布。其中在分流均勻條件下，各鋁排與抱箍的接觸電阻取值相同，均為溫升試驗(yàn)中接觸電阻的中間值。仿真結(jié)果如圖6所示。

在溫升試驗(yàn)條件下，金具B的最高溫度已達(dá)115 ℃，在分流均勻條件下，金具B的最高溫度為95 ℃，可以看出鋁排分流均勻可以有效降低金具的最高溫度，緩解試品局部過熱的現(xiàn)象。

根據(jù)DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》規(guī)定，熱點(diǎn)溫度>90 ℃屬于嚴(yán)重缺陷，熱點(diǎn)溫度>130 ℃屬于危急缺陷。在溫升試驗(yàn)條件下，金具的最高溫度接近130 ℃的危急缺陷值；在分流均勻條件下，由于接觸電阻的影響，最高溫度也超過了嚴(yán)重缺陷值。故金具B尚不能滿足容量提升后長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的要求。因此需要在設(shè)計(jì)、工藝及施工上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，采取涂抹導(dǎo)電膏等輔助手段，進(jìn)而降低接觸電阻值，避免局部過熱，提高金具的載流量。

圖6 金具B溫度分布仿真結(jié)果(6.25 kA)

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)比分析仿真計(jì)算與溫升試驗(yàn)，金具A和金具B的仿真值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了本文所采用的有限元仿真計(jì)算方法的可行性。該方法可以有效地計(jì)算閥廳金具在不同電流激勵(lì)下的溫度場(chǎng)分布。

(2)在5.62 kA的激勵(lì)電流下，絞線類金具和鋁排類金具均存在分流不均勻及局部過熱的現(xiàn)象。鋁排類金具分流不均勻程度比絞線類金具嚴(yán)重。

(3)在6.25 kA的激勵(lì)電流下，鋁排類金具B最高溫度已達(dá)115 ℃，接近危急缺陷限值，尚不能滿足容量提升后長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的要求。

[1]梅念,陳東,傅穎,等. 高壓直流輸電工程閥廳金具設(shè)計(jì)電流[J]. 電力建設(shè), 2013, 34(7): 47-50. Mei Nian, Chen Dong, Fu Ying，et al. Design current of hardware in valve halls for HVDC power transmission projects[J]. Electric Power Construction, 2013, 34(7): 47-50.

[2]王麗杰,楊金根. 高嶺背靠背換流站閥廳金具設(shè)計(jì)[J]. 電力建設(shè), 2009, 30(9): 31-35. Wang Lijie, Yang Jingen. Hardware design of gaoling back-to-back conversion station valve hall[J]. Electric Power Construction, 2009, 30(9): 31-35.

[3]Carstea D, Carstea I. Simulation of coupled electric and thermal fields in coaxial cables [C]// Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Service, 2003. TELSIKS 2003. 6th International Conference on. Nis, Yugoslavia: IEEE, 2003，2: 697-700.

[4]Tiansheng Z, Hongwu L, Nairui Y, et al. A numerical model of mechanical, thermoelectric and magnetic coupling fields for stationary electric contact[C]// Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST), 2013 2nd International Conference on. Matsue, Japan: IEEE, 2013: 1-4.

[5]蘇秀蘋, 陸儉國(guó), 劉幗巾, 等. 小型直流電磁繼電器溫度場(chǎng)仿真分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(08): 185-189. Su Xiuping, Lu Jianguo, Liu Guojin, et al. Thermal field simulation analysis of miniature DC electromagnetic relays[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2011, 26(8): 31-35.

[6]楊文英, 李東遠(yuǎn), 蔡昭文. 電磁脈沖環(huán)境下電磁繼電器溫度場(chǎng)仿真[J]. 低壓電器, 2013(22): 9-14. Yang Wenying, Li Dongyuan, Cai Zhaowen. Numerical simulation of temperature field for electromagnetic relay under electromagnetic pulse[J]. Low Voltage Apparatus, 2013(22): 9-14.

[7]張施令, 彭宗仁, 劉鵬, 等. 電熱耦合模型應(yīng)用于高壓干式直流套管徑向溫度和電場(chǎng)分布計(jì)算[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013，33(22): 191-200. Zhang Shiling, Peng Zongren, Liu Peng, et al. Electro-thermal coupling model for computation of radial temperature and electric field of resin impregnated paper high voltage direct current bushing[J]. Proceedings of the CSEE 2013,33(22): 191-200[8]國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究院. DT/L 663—2008帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[9]程禮椿. 電接觸理論及應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1988:18-22.

[10]王澤鵬, 張秀輝. ANSYS12.0熱力學(xué)有限元分析從入門到精通[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2010:15-16.

[11]陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2006:18.

[12]孫國(guó)霞, 關(guān)向雨, 金向朝, 等. 基于多場(chǎng)耦合計(jì)算的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備母線接頭過熱性故障分析[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(11): 3445-3451. Sun Guoxia, Guan Xiangyu, Jin Xiangchao, et al. Temperature rise calculation and overheating fault analysis of gas insulated switchgear bus connector based on coupled field theory[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(11): 3445-3451.

(編輯: 蔣毅恒)

High Current Temperature-Rise Test and Simulation Calculation of Valve Hall Fittings

WU Hao1, PENG Zongren1, YANG Yuan2, WANG Jialong1

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710048, China; 2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

The improvement of DC transmission capacity proposes a higher request on the discharge current capacity, current-carrying reliability and heat resistance of valve hall fittings. In DC transmission project, valve hall fittings undertake the function of power equipment’s electrical connection, mechanical fixation and shielding. As the fittings operate with large current, high working voltage and poor heat dissipation, it is essential to study the reliability of existing fitting after capacity enhanced. Taking two typical valve hall fittings as research objects, equivalent cylinder was modeled as equivalent contact resistance, and thermal-electric coupled field was used for the finite element simulation. The temperature-rise test with high current was also carried out on the fittings, and the unbalanced current distribution of aluminium strip and stranded wire was surveyed and analyzed with using infrared thermal imager, as well as the local overheating phenomenon at the connection of welding and bolt. The test results and simulation analysis show that the local overheating and uneven current distribution of the fittings exist under 5620A excitation current. The simulation result agrees with temperature-rise test.

capacity enhanced; valve hall fittings; temperature-rise test; thermal-electric coupled field

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2014AA051803)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(GWJYYKJ[2012]277號(hào))。

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0016-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.003

2015-06-06

2015-07-17

吳昊(1990)，男，博士研究生，主要從事變壓器用油紙絕緣介電性能的研究；

彭宗仁(1953)，男，教授，通訊作者，主要從事超特高壓電力設(shè)備外絕緣與均壓特性高壓交直流套管的材料結(jié)構(gòu)及電氣特性等方面研究；

楊媛(1983)，女，博士，工程師，主要從事直流閥廳施工與運(yùn)行維護(hù)的研究；

王加龍(1988)，男，博士研究生，主要從事特高壓直流閥廳復(fù)雜場(chǎng)域電場(chǎng)仿真計(jì)算。

Project Supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2014AA051803).