新型復合GIL/GIB溫升模型仿真計算

吳趣鴻，董立輝，朱　勇，曹冬林，仲留寄

(江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇南通226553)

新型復合GIL/GIB溫升模型仿真計算

吳趣鴻，董立輝，朱勇，曹冬林，仲留寄

(江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇南通226553)

摘要：氣體絕緣復合管道輸電線路(簡稱復合GIL/GIB)是一種新型輸電技術，其復合殼體是在金屬材料內襯層表面纏繞一定厚度的質量輕、成本低、耐腐蝕性強的復合材料層而形成的。針對新型復合GIL/GIB的溫升問題，建立了其溫升模型，將電磁場、流體場、溫度場進行耦合仿真求解。考慮了溫升模型的熱平衡狀態以及相關材料物性參數的溫度效應，將仿真結果與實際溫升試驗測量結果比較，總結得出了相關的結論，從而為復合GIL/GIB的設計、制造及工程應用提供一定的理論依據。

關鍵詞：復合GIL/GIB；溫升；趨膚效應；自然對流

中圖分類號：TM751

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.010

收稿日期：2015-04-05。

作者簡介：吳趣鴻(1987-)，男，助理工程師，主要從事高壓GIL設計研發工作,E-mail：wuquhonggodric@163.com。

Abstract：Composite gas-insulated transmission line/gas-insulated transmission busbar (for short, composite GIL/GIB) is a new technology of power transmission. Its composite enclosure is made of metal material lining layer and a certain thickness of light-weight, low-cost, strong corrosion-resistance composite material layer wound on the surface of the material lining layer. In order to solve the problem of the temperature rise resulting from the new composite GIL/GIB, this essay has established the temperature rise model which couples the electromagnetic field, fluid field and temperature field. Considering the thermal equilibrium state of the temperature rise model and the temperature effects of the physical parameters of related materials, this essay compares and contrasts the simulation results and the actual temperature rise test measurements. It concludes that they provide some certain theoretical basis for the design, manufacture and engineering application of composite GIL/GIB.

Keywords：composite gas-insulated transmission line/gas-insulated transmission busbar; temperature rise; skin effect; natural convection

0引言

氣體絕緣復合管道輸電線路(復合GIL/GIB)作為一種新型的高電壓、大電流電力傳輸設備，相較于傳統金屬GIL/GIB，其復合殼體是在金屬材料內襯層表面纏繞一定厚度的質量輕、成本低、耐腐蝕性強的復合材料層而形成的。復合殼體的金屬層厚度約為傳統金屬殼體厚度的一半，同時復合殼體的設計相較傳統金屬殼體更適合直埋式安裝，因此復合GIL/GIB具有更好的經濟性優勢。

復合GIL/GIB同樣面臨溫升發熱的問題。溫升不僅限制了復合GIL/GIB的最大載流能力，而且過高的溫升會直接影響其內部非導電材料的絕緣性能，從而降低使用壽命，影響供電可靠性[1～3]。復合GIL/GIB的金屬層更薄，殼體環流產生的電阻熱損耗更大；同時，復合殼體表面的復合材料導熱系數遠小于金屬的導熱系數，不利于內部熱量向外傳遞。因此，研究復合GIL/GIB的溫升問題對于復合GIL/GIB的設計、制造及工程應用都有著重要的意義。

本文的溫升模型是建立在電壓等級252 kV、電流等級4 000 A的復合GIL/GIB試驗樣機的基礎上，試驗環境為常規大氣環境，該試驗樣機已經通過西安高壓電器研究所型式試驗驗證。

本文利用有限元多物理場仿真[4～7]軟件，仿真求解復合GIL/GIB溫升模型，將仿真結果與型式試驗中的溫升試驗結果進行比較，最后得出一些合理的結論，從而為復合GIL/GIB的設計、制造及工程應用提供一定的理論依據。

1仿真模型求解域的建立

考慮到復合GIL/GIB三維溫升模型仿真求解的計算量極大，因此將三維模型進行適當簡化。假設復合GIL/GIB水平敷設，同時假設其水平方向無限長，因此可以選取垂直于長度方向的同軸圓柱截面作為研究對象，建立二維仿真模型求解域示意圖如圖1所示[8-9]。二維模型求解域由鋁導體、鋁殼體、玻璃鋼殼體、內部SF6氣體、外部空氣等區域以及相應的邊界組成。B1，B2，B3，B4為固體和氣體接觸邊界，B5為空氣遠場開邊界。

圖1　二維仿真模型求解域示意圖

2電磁場模型及邊界條件

建立電磁場模型的目的是為了仿真求解出鋁導體和鋁殼體單位長度的電阻熱損耗，并將其作為流體場、溫度場模型仿真求解的熱源。鋁導體和鋁殼體的電導率是隨溫度變化的參數，所以必須考慮電導率的溫度效應。因此電阻熱損耗也是隨著溫度的變化而變化的瞬態變化量。二維模型求解域中的鋁導體和鋁殼體區域可以看成兩個封閉的單匝線圈，在垂直于線圈截面的方向上加載固定頻率(50 Hz)的正弦線圈激勵電流。當在鋁導體上通入一定大小的電流時，鋁殼體會產生幾乎同樣大小的反向感應電流(殼體環流)[10]。通入的線圈激勵電流大小是根據GIL/GIB運行時的額定電流Ir以及其溫升試驗標準要求來確定的[11]。電磁場模型的仿真求解主要依據安培定律，同時設定空氣遠場開邊界B5為磁絕緣邊界。

3流體場、溫度場模型及邊界條件

3.1　熱源及熱量傳遞方式

在不考慮外界熱輻射的情況下，溫度場模型的熱源主要由兩部分組成，分別是鋁導體和鋁殼體單位長度的電阻熱損耗，其值可由電磁場模型求解得到。熱量總是由高溫物體向低溫物體方向傳遞，形成明顯的溫度梯度分布趨勢。溫度場模型中涉及到熱傳導、熱輻射和熱對流3種基本傳熱方式[12]。復合殼體內部主要通過熱輻射和封閉空間自然對流這兩種方式將熱量傳遞向復合殼體；復合殼體的金屬材料層(鋁)通過熱傳導方式將熱量傳遞向復合材料層(玻璃鋼)；復合殼體外部主要通過熱輻射和大空間自然對流這兩種方式將熱量傳遞向外界環境。流體場模型中兩種組分氣體的流動方式均為層流流動。

3.2　熱平衡方程

熱平衡過程是一個瞬態過程，與時間相依。在單位時間內，當鋁導體和鋁殼體產生的單位長度電阻熱損耗之和與散發到外界環境的散熱量相等時，達到熱平衡狀態[13]。由此，建立了溫度場模型熱平衡的基本方程式：

式中：Pd為單位長度單相鋁導體電阻熱損耗，W/m；Pk為單位長度單相鋁殼體電阻熱損耗，W/m；QdF為單位長度單相鋁導體熱輻射散熱量；QdD為單位長度單相鋁導體封閉空間自然對流散熱量；QkF為單位長度單相復合殼體熱輻射散熱量；QkD為單位長度單相復合殼體大空間自然對流散熱量。

3.3　共軛傳熱及邊界條件

流體場、溫度場模型是綜合考慮了殼體內外兩種組分氣體層流流動、流體傳熱以及固體傳熱的共軛傳熱模型。模型充分考慮了求解域中氣體主要物性參數的溫度效應等。

共軛傳熱邊界條件為：

(1)表面對表面輻射邊界B1，B2，B3施加溫度邊界條件Ti(瞬時溫度)，表面對環境輻射邊界B4和空氣開邊界B5施加溫度邊界條件Tamb(環境溫度)，環境溫度為313.15 K(40 ℃)；

(2)設定輻射邊界B1，B2，B3，B4的表面發射率,鋁表面發射率為0.3，油漆表面發射率為0.9；

(3)流體與固體邊界B1，B2，B3，B4施加無滑移邊界條件Vx=Vy=0。

4仿真計算結果及分析

4.1　電磁場仿真計算結果及分析

仿真模型主要尺寸及參數如表1。

表1　仿真模型主要尺寸及參數

圖2為鋁導體通入4 400 A電流時的電流密度分布，圖3為鋁殼體產生相應感應電流時的電流密度分布。兩者電流大小幾乎相等，電流方向相反。從圖中可以看出，兩者的電流密度分布呈現出明顯的趨膚效應[14]，鋁導體電流密度分布從內側到外側電流密度值越來越大，鋁殼體電流密度分布從內側到外側電流密度值越來越小。

圖2　鋁導體電流密度分布

圖3鋁殼體電流密度分布

考慮電導率隨溫度變化的特性，根據電流密度分布的仿真結果，利用面積分公式得到熱平衡狀態下單位長度鋁殼體和鋁導體的電阻熱損耗計算值如表2。對比傳統工程計算經驗公式[13]的計算結果，兩者基本接近，從而驗證了電磁場模型求解電阻熱損耗作為熱源的準確性和可行性。

表2　電阻熱損耗計算值比較　W/m

4.2　流體場、溫度場仿真計算結果及分析

將電磁場模型仿真求解得到的電阻熱損耗作為熱源，與流體場、溫度場耦合計算[15]，仿真求解溫升瞬態過程，將得到的穩態值作為仿真結果。考慮流體的主要物性參數的溫度效應。參考3.3來設置溫升模型的邊界條件。參照實際型式試驗中的溫升試驗操作時間，設置瞬態溫升模型的仿真熱平衡時間為21 600 s，時間步長為10 s。經過仿真計算，得到流體場、溫度場模型的相關仿真結果。

圖4為3個溫度測量點熱平衡過程的溫度變化曲線圖，3條曲線從上至下分別為橫截面上的導體最高點、殼體最高點、殼體最低點的溫度變化曲線。由圖4可以看出，3個測量點的溫度變化趨于熱平衡狀態，達到相應的穩態熱平衡溫度。導體最高點和殼體最高點的溫度一般也是GIL/GIB實際運行時導體和殼體的最高溫度，可以作為判斷GIL/GIB實際運行溫度是否超過標準的參考溫度[11]。

圖4　測量點溫度變化曲線圖

表3為溫度場仿真計算結果與實際型式試驗中的溫升試驗測量結果的比較。考慮到一些不可避免的誤差，3組參考溫度點的仿真結果和試驗測量結果基本接近。在一定程度上可以證明，該溫升模型的仿真計算結果對于復合GIL/GIB試驗樣機的設計具有一定的理論參考意義。

表3　仿真計算和試驗測量的溫升結果比較　K

圖5為整個仿真求解域的溫度場分布。可以看出，溫度場分布呈現出對稱性分布；最靠近殼體外部的一層空氣以及殼體正上方狹窄區域內的空氣，溫度明顯高于空氣域中其他部分。圖6為GIL/GIB截面的溫度場分布。可以看出，導體以及其內部氣體溫度場分布差異較小，可以視為等溫體考慮；殼體溫度場分布呈現上高下低的差異，最高點溫升為28 K，最低點溫升為23.4 K；導體與殼體之間的SF6氣體溫度場分布呈現出極其明顯的上高下低的溫度梯度分布特性。這主要是由于氣體受熱不均，在重力和浮力的共同作用下，熱空氣上升、冷空氣下沉，從而呈現出上方溫度高、下方溫度低的溫度分布。殼體的溫度分布主要是受氣體溫度分布的影響。圖7為整個仿真求解域的速度場分布。圖8為GIL/GIB截面的速度場分布。圖7中氣體的流速最大為0.43 m/s，圖8中氣體的流速最大為0.08 m/s。圖7和圖8中的速度場分布均能較好的表現出兩種氣體的自然對流特性。自然對流傳熱方式作為整個模型的主要傳熱方式之一，是影響整個模型的速度場分布以及溫度場分布的主要因素。

圖5　仿真求解域的溫度場分布

圖6　GIL/GIB截面的溫度場分布

圖7　仿真求解域的速度場分布

圖8　GIL/GIB截面的速度場分布

5結論

(1)由電磁場仿真結果可以看出，單相復合GIL/GIB截面鋁導體和鋁殼體的電流密度分布的趨膚效應明顯，鋁導體電流密度值從內到外越來越大，鋁殼體電流密度值從內到外越來越小。

(2)電磁場仿真計算和傳統工程計算的電阻熱損耗結果十分接近，驗證了電磁場模型的可行性和準確性。

(3)由流體場流體速度分布規律以及溫度場的溫度分布規律可以看出，自然對流傳熱方式是影響單相復合GIL/GIB溫升模型速度場分布和溫度場分布的主要因素。

(4)通過比較瞬態溫升模型仿真計算結果和實際溫升試驗結果，驗證了本文建立的瞬態溫升模型的可行性和準確性，從而為復合GIL/GIB的設計、制造及工程應用提供一定的理論依據。

參考文獻:

[1]Ho S L，Li Y，Lo E W C,et al.Analyses of three-dimensional eddy current field and thermal problems in anisolated phase bus[J].IEEE Transactions on Magnetics，2003，39(3)：1515-1518.

[2]孔慶東,羅敬安,林福本.大電流母線的設計、制造及安裝[M].北京：水利水電出版社，1988.

[3]吳曉文，舒乃秋，李洪濤，等.基于流體多組分傳輸的氣體絕緣母線溫度場數值計算與分析[J].中國電機工程學報，2012，32(33)：141-147.

[4]Kim S W， Kim H H， Hahn S C，et al. Coupled finite element-analytic technique for prediction of temperature rise in power apparatus[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2002，38 ( 2)：921-924.

[5]Kim J K, Hahn S C, Park K Y, et al. Temperature rise prediction of EHV GIS bus bar by coupled magnetothermal finite element method[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2005，41( 5)：1636-1639.

[6]Eteiba M B，Aziz M M A，Shazly J H.Heat conduction problems in SF6 gas cooled-insulated power transformers solved by the finite element method[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(3)：1457-1463.

[7]Aliferov A，Dughiero F，Forzan M.Coupled magnetothermal FEM model of direct heating of ferromagnetic bended tubes[J].IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(8)：3217-3220.

[8]Ham J K, Kim Y K, Kim J S, et al. Heat transfer ingas-insulated bus bars[C]. Proceedings of the ASME 2003 Heat Transfer Summer Conference, Las Vegas, USA, 21-23 July, 2003: 453-459.

[9]李玲，吳曉文，李洪濤，等.氣體絕緣母線熱計算及其影響因素分析[J].電工技術學報,2012,27(9):264-270.

[10]宋帆.特高壓GIS設備的渦流及其相關問題的研究[D].沈陽：沈陽工業大學,2009.

[11]GB/T 11022-2011,高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求[S].

[12]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13]阮全榮，謝小平.氣體絕緣金屬封閉輸電線路工程設計研究與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[14]鄢來君,張穎.大電流封閉母線溫升計算[J].高電壓技術，2008，34(1):201-203.

[15]范鎮南,張德威,陳顯坡,等.用電磁場和流場模型計算GIS母線損耗發熱[J].高電壓技術，2009，34(12):3016-3021.

Simulation and Calculation of Temperature Rise Model on New Composite GIL/GIB

Wu Quhong, Dong Lihui, Zhu Yong, Cao Donglin, Zhong Liuji

(Jiangsu Shenma Electric Co.Ltd., Nantong 226553, China)