二灘水電站550kV擴(kuò)建工程GIS母線渦流損耗的論證與探討

儲百生，段緒芳，吳智宇

●（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051）

二灘水電站550kV擴(kuò)建工程GIS母線渦流損耗的論證與探討

儲百生，段緒芳，吳智宇

●（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051）

二灘水電站550 kV擴(kuò)建工程采用ABB ZF15-550型GIS。分別以鋁材、不銹鋼、鍋爐鋼550 kV/4000 A母線為研究對象，采用有限元分析方法對渦流損耗進(jìn)行了計算、分析，并通過比選，得出了經(jīng)濟(jì)、實用方案。

GIS；電磁感應(yīng)；渦流損耗；有限元分析

0 引言

二灘水電站位于金沙江的最大支流——雅礱江下游，距四川省攀枝花46km。電站裝機(jī)容量3300MW，是二十世紀(jì)我國建成的最大的水電站，保證輸出1000MW，多年平均發(fā)電量1.7×1011kWh，年利用5160h，水庫具有季調(diào)節(jié)能力。1991年9月電站主體工程開工，1998年8月第一臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1999年全部工程竣工。

本電站電氣主接線為：發(fā)-變組采用單元接線，高壓側(cè)擴(kuò)建前接線為2串4/3和2串3/2接線，每串各一回出線，在1串3/2上預(yù)留了一回出線位置，經(jīng)擴(kuò)建現(xiàn)為4/3 接線。預(yù)留GIS出線間隔及其輔助設(shè)備為擴(kuò)建設(shè)備，由新東北電氣（沈陽）高壓開關(guān)有限公司承造，采用的是 ABB ZF15-550型GIS，額定電壓550kV；額定電流4000A；主母線電流4000A；溫升滿足DL/T 617《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)條件》的規(guī)定。

本電站550kV擴(kuò)建GIS母線外殼采用多點接地。由于接地系統(tǒng)阻抗分布的影響及罐體與帶電部分的耦合作用[1]，導(dǎo)致罐體產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)母線較長時，就會產(chǎn)生較高的渦流損耗。所以如果系統(tǒng)采取多點接地且母線采用分箱式時，設(shè)備選型必須慎重考慮罐體材料的選取?，F(xiàn)以二灘水電站550kV擴(kuò)建工程550kV/4000A母線為研究對象（圖 1），分別設(shè)定罐體材料為鋁材、不銹鋼材、鍋爐鋼材。采用有限元分析方法進(jìn)行渦流計算，并分析電磁感應(yīng)，解析渦流方程。

圖1 550 kV ELK3型母線

1 解析數(shù)學(xué)模型

由圖1可知，本文研究對象為軸對稱且電力系統(tǒng)中母線的長度較其橫截面數(shù)值大很多，所以忽略接頭等部位的影響，采用平面正弦波分析方法。由有限元法可知，采用正弦波的渦流方程為：

式中，ρ為電阻率，?m；ω為為角頻率，ω=2πf；μr為相對磁導(dǎo)率，無量綱；μ0為真空磁導(dǎo)率，且μ0=4π×10-7H/m；A˙為向量磁位，Wb/m；σ為電導(dǎo)率，?-1m-1；?U為單位長度的電壓降，V[2]。

在1/4模型中（圖2），需要指出的是：考慮到外部漏磁，模型加了無窮遠(yuǎn)邊界。假定導(dǎo)體通過電流5000cosωt，無窮遠(yuǎn)邊界A˙=0，對于罐體，因系統(tǒng)采用了多點接地，則其感應(yīng)電壓總和為零。

圖2 計算模型

罐體外殼單位體積中的損耗功率為：

式中：Pe為單位體積中的損耗功率；δ為電流密度；E為電場強(qiáng)度。

計算中涉及到5種材料，其名稱、參數(shù)見表1。對于正常交流工況，f =50Hz。

表1 各種材料參數(shù)表

2 論證渦流損耗

本文計算的主要目的是為了論證不同的罐體材料對渦流損耗的影響。圖3～圖6給出了罐體材料為鋁材時不同時刻磁通密度分布、電流密度分布、沿導(dǎo)體徑向和罐體徑向的電流分布，不同的罐體材料對場量的影響不同。圖7給出了罐體材料為鍋爐鋼時不同時刻罐體感應(yīng)電流面密度分布。不同罐體材料導(dǎo)體和罐體上流過的電流、感應(yīng)電流、電壓及渦流損耗見表2。

圖3 不同時刻磁通密度矢量圖（罐體材料為鋁材）

圖4 不同時刻電流密度等值線圖（罐體材料為鋁材）

圖5 不同時刻導(dǎo)體電流面密度分布（罐體材料為鋁材）

圖6 不同時刻罐體感應(yīng)電流面 密度分布（罐體材料為鋁材）

圖7 不同時刻罐體感應(yīng)電流面 密度分布（罐體材料為鍋爐鋼）

表2 不同罐體材料導(dǎo)體和罐體上的源電流、感應(yīng)電流、電壓及渦流損耗

3 論證分析結(jié)果

由圖3、圖4可知，場圖的分布與實際預(yù)期的非常一致，所以計算程序及計算結(jié)果具有較高的可信度。從表2不同罐體材料對應(yīng)的電阻損耗可以看出，當(dāng)罐體材料為鍋爐鋼時的電阻損耗較罐體材料為鋁材和不銹鋼材時大很多。以二灘水電站工程為例，一、二期工程共使用母線達(dá)300m，以一個月30天計，當(dāng)罐體材料為鍋爐鋼時，其電阻損耗為275768kW·h，該損耗針對當(dāng)前節(jié)能降耗的主題，是一個非?？捎^的數(shù)字。

4 結(jié)束語

通過對比不同材料罐體的電阻損耗，可得出：罐體采用鋁材和不銹鋼時損耗較小，經(jīng)濟(jì)性較好。但因不銹鋼材比鋁材密度大，從起吊運輸角度考慮，采用鋁材非常經(jīng)濟(jì)。除需考慮罐體強(qiáng)度外，選用鋁材為經(jīng)濟(jì)、實用方案。

[1]儲百森. 異步電動機(jī)節(jié)能方法初探[J]. 電工技術(shù)雜志, 2001(6): 57-58.

[2]談克雄. 高壓靜電場數(shù)值計算[M]. 北京: 水利電力出版社, 1991.

[3]徐國政, 張節(jié)容, 錢家驪, 等. 高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]. 北京: 清大學(xué)出版社, 2000.、

Study on Backset Wastage of 550kV GIS Busbars in Enlarging Enginnering at Ertan Hydropower Station

CHU Bai-sheng, DUAN Xu-fang, WU Zhi-yu
(Yalong River Hydropower Development Company, Ltd., Sichuan Chengdu 610051, China)

550kV ZF15-550 GIS is used at enlarging enginnering of ertan hydropower station. Taking 550 kV/4000 A busbars of aluminium, stainless steel and boiler steel as research subjects separately, the backset wastage is calculated and analyzed with finite element analysis method. Through comparing, the economic and practical project is obtained.

GIS; electromagnetic induction; backset wastage; finite element analysis

TM645

A

儲百生（1973-），男，高級工程師。主要從事機(jī)電設(shè)備及物資管理工作。