閥廳金具大電流溫升試驗及仿真計算

吳昊，彭宗仁，楊媛，王加龍

(1.西安交通大學電氣工程學院，西安市 710048；2.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

?

閥廳金具大電流溫升試驗及仿真計算

吳昊1，彭宗仁1，楊媛2，王加龍1

(1.西安交通大學電氣工程學院，西安市 710048；2.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

隨著直流輸電容量的不斷提升，對閥廳金具通流容量，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，閥廳金具承擔著電力設備的電氣連接、機械固定及均壓屏蔽的作用。其運行電流大、工作電壓高、散熱條件較差，因此研究容量提升后現有閥廳金具的運行可靠性十分必要。以2種閥廳典型金具為研究對象，應用等效圓柱體模擬接觸電阻，以及電-熱耦合方法對金具溫度場進行了有限元仿真計算，同時進行了大電流溫升試驗，使用紅外熱像儀等設備測量分析了鋁排、絞線的分流不均現象，以及焊接、螺栓連接處的局部過熱現象。大電流溫升試驗及仿真分析表明：在電流為5.62 kA時，試品金具存在局部過熱及分流不均的現象，仿真結果與試驗吻合。

容量提升；閥廳金具；溫升試驗；電熱耦合場

0 引 言

目前特高壓直流輸電工程的額定輸送電壓已達800 kV，在不顯著升高系統絕緣水平的基礎上，提高輸送電流至6.25 kA，將增強遠距離電能輸送能力，對完成全國范圍內的資源優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，閥塔等電力設備的電氣連接、機械固定以及均壓屏蔽。閥廳金具工作在封閉空間，基本處于自然對流狀態，同時承擔著全電流的傳輸作用[1]，因此運行電流的提升容易使金具出現局部過熱而引發事故。另一方面，閥廳內金具種類繁多，在技術上需考慮防電暈要求、機械強度要求、載流量要求、耐熱性要求[2]。目前我國尚無關于閥廳金具運行溫度的標準，閥廳金具的大電流溫升試驗也鮮有報道。在本文中，對2種現有閥廳典型金具進行了大電流溫升試驗，分析了容量提升后現有閥廳金具能否穩定運行的問題。重點研究在大電流溫升試驗中絞線、鋁排的分流問題，以及絞線與聯板連接處、鋁排與抱箍連接處的局部過熱問題。

本文應用有限元分析軟件ANSYS對閥廳金具的溫度場進行了仿真，有限元仿真方法在力場、電場及多物理耦合場的計算中已有較為廣泛的應用[3-7]。文獻[3]采用使用二維有限元模型，對直流電纜在階躍電壓下的電熱耦合場進行了仿真。文獻[4]對電觸頭的結構-電-熱耦合場進行有限元仿真。文獻 [5]使用有限元方法計算了小型直流電磁繼電器的溫度場。文獻[6]對電磁脈沖環境下電磁繼電器的溫度場進行了仿真。文獻[7]分析計算了套管中相互耦合的溫度場和電場。與以上文獻的研究對象相比，本文的金具試品具有形狀復雜，散熱條件差，負荷電流大的特點。文中對金具試品在給定電流下的溫升情況進行了三維有限元仿真，并將仿真結果與試驗數據進行了比較。同時預測了加載電流提升至6.25 kA時試品的溫度分布。

1 大電流溫升試驗

1.1 試驗布置及金具試品

金具大電流溫升試驗在大電流實驗室內完成，室內溫度能夠進行小范圍調節。試驗電源的最大輸出電流為6 kA，通過主控臺可以對輸出電流進行連續調節，輸出電壓低于人體安全電壓36 V，在試驗中可使用紅外熱像儀和熱電偶對金具試品表面溫度進行測量。

被測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、聯板、線夾組成，用于400 kV套管頭部的引流。在運行時，抱箍及鑄鐵桿件完成固定承重，8分裂絞線實現引流，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圖紙要求安裝，使分流盡可能均勻。

1.2 大電流溫升試驗結果

為了研究容量提升后大電流對現有金具溫度場的影響，保證試驗電源的安全運行，故以5.62 kA作為試驗加載電流。待金具溫度穩定后，分別使用熱電偶及紅外熱像儀測量金具表面溫度，試驗環境溫度為26 ℃。

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

圖1 被測金具試品

表2 金具B鋁排溫度及電流測量值

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，影響金具長期穩定運行。

使用紅外熱像儀對金具A、B的整體溫度分布進行了測量，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。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。考慮到沒有關于閥廳金具的國家標準，在本文中，使用DL/T 664—2008《帶電設備紅外診斷應用規范》[8]來評估金具的發熱情況。在本溫升試驗中，金具B最高溫度為97 ℃，相對環境溫升為71 ℃，金具自身溫差為31 ℃，屬于嚴重缺陷。

2 有限元仿真計算

2.1 溫度場計算流程

本文采用有限元仿真分析方法，進行電流場和溫度場耦合仿真計算。首先通過電流場計算，得到金具各節點處電流矢量及各有限元單元的焦耳熱，在此基礎上進行溫度場計算，得到金具的溫度場分布。考慮到金屬的電阻率隨溫度變化，可在不同溫度下測量金具所用材料的電阻率，作為仿真計算的材料參數，反復迭代直至收斂，得到金具試品的溫度場分布。計算流程如圖3所示。

圖3 溫度場計算流程

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

(1)

式中：R為電阻值;ρ為材料電阻率;a為接觸電阻半徑;l為圓柱體長度[9]。

2.2 溫度場計算原理及邊界條件

電流流過閥廳金具時產生焦耳熱，在發熱過程中通過傳導、對流、輻射與周邊介質進行熱交換，熱交換過程中系統的溫度、熱流率及邊界條件均隨著時間變化。瞬態熱平衡方程為

CT′+KT=Q

(2)

式中：C為比熱矩陣；T′為節點溫度對時間的導數向量；K為傳導矩陣，包括導熱系數，對流換熱系數及輻射率和形狀系數；T為節點溫度向量；Q為節點熱流率向量，包含生熱率[10]。在應用有限元法求解溫度場分布時，可以使用變分原理，將式等價為其泛函形式，進而進行求解[6]，如式(3)所示。

(3)

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

金具一般是通過對流散熱和輻射散熱與外界進行熱交換，而內部熱傳遞的主要方式是傳導。傳導、對流、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為導熱系數， W/(m·K)；t為溫度，℃；h為表面傳熱系數，W/(m2·K)；A為金具的對流面積，m2；Δt為金具與環境溫度差，℃；ε為發射率；A1為金具的輻射面積，m2；σ為黑體輻射常數，σ=5.67×10-8W/(m2·K4);T1、T2分別為金具表面溫度及環境溫度，℃[11]。

在工程應用中，為了簡化計算，通常將對流散熱及輻射散熱等效為熱交換邊界條件，根據牛頓散熱定律，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[12]，本文在金具模型加載邊界條件時采用了這種簡化方法。仿真計算中，金具模型各材料參數如表3所示。

表3 材料參數表(20 ℃)

Table 3 Material parameters (20 ℃)

3 仿真計算結果分析

3.1 加載5.62 kA電流

加載電流為5.62 kA時，閥廳金具的溫度場仿真結果如圖4所示。

由圖4可以看出，金具A聯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現象吻合。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測值誤差在5 ℃以內。

表4、5對比了仿真結果與實測值，可以看出除金具B的抱箍II螺栓連接處以外，金具A、B各關鍵處仿真結果與溫升試驗結果基本吻合。

在計算過程中，金具各部分的散熱系數與試驗存在一定的偏差，導致仿真結果存在一定誤差。對于金具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 溫度分布仿真結果(5.62 kA)

℃

表5 金具B溫度實測值與仿真值對比(5.62 kA)

℃

3.2 加載6.25 kA電流

3.2.1 溫升試驗條件下溫度分布

通過對比上述仿真與試驗結果，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算出閥廳金具在電流激勵下的溫度場分布。因此，可用上述計算方法對金具A加載6.25 kA電流，計算原溫升試驗條件下，容量提升后閥廳金具溫度場分布。

金具A加載電流為6.25 kA時的溫度場仿真結果如圖5所示。環境溫度為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分布相對均勻，溫度梯度較小，仍能夠滿足運行要求。

圖5 金具A溫度分布仿真結果(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，分別計算在溫升試驗條件、分流均勻條件下金具B溫度場分布。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，均為溫升試驗中接觸電阻的中間值。仿真結果如圖6所示。

在溫升試驗條件下，金具B的最高溫度已達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象。

根據DL/T 664—2008《帶電設備紅外診斷應用規范》規定，熱點溫度>90 ℃屬于嚴重缺陷，熱點溫度>130 ℃屬于危急缺陷。在溫升試驗條件下，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重缺陷值。故金具B尚不能滿足容量提升后長期可靠運行的要求。因此需要在設計、工藝及施工上進行改進和優化，采取涂抹導電膏等輔助手段，進而降低接觸電阻值，避免局部過熱，提高金具的載流量。

圖6 金具B溫度分布仿真結果(6.25 kA)

4 結 論

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

(2)在5.62 kA的激勵電流下，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象。鋁排類金具分流不均勻程度比絞線類金具嚴重。

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

[1]梅念,陳東,傅穎,等. 高壓直流輸電工程閥廳金具設計電流[J]. 電力建設, 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計[J]. 電力建設, 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, 劉幗巾, 等. 小型直流電磁繼電器溫度場仿真分析[J]. 電工技術學報，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, 蔡昭文. 電磁脈沖環境下電磁繼電器溫度場仿真[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. 電熱耦合模型應用于高壓干式直流套管徑向溫度和電場分布計算[J]. 中國電機工程學報, 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]國網武漢高壓研究院. DT/L 663—2008帶電設備紅外診斷應用規范[S].北京：中國電力出版社，2008.

[9]程禮椿. 電接觸理論及應用[M]. 北京:機械工業出版社, 1988:18-22.

[10]王澤鵬, 張秀輝. ANSYS12.0熱力學有限元分析從入門到精通[M]. 北京:機械工業出版社, 2010:15-16.

[11]陶文銓. 傳熱學[M]. 西安:西北工業大學出版社, 2006:18.

[12]孫國霞, 關向雨, 金向朝, 等. 基于多場耦合計算的氣體絕緣開關設備母線接頭過熱性故障分析[J]. 高電壓技術, 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

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2014AA051803)；國家電網公司科技項目(GWJYYKJ[2012]277號)。

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備外絕緣與均壓特性高壓交直流套管的材料結構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行維護的研究；

王加龍(1988)，男，博士研究生，主要從事特高壓直流閥廳復雜場域電場仿真計算。

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