一種對GIL外殼熱脹冷縮位移變化的吸收與補償方法

劉 揚，慎志勇，鄧 川

(中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發電廠，四川 寧南 615400)

GIL作為一種高電壓、大電流、長距離的電力傳輸設備[1-3]，由于其輸電容量大，占地面積少，運行成本低，環境友好和安全性高等顯著優點[4-5]，逐漸替代架空線、電纜，成為發電廠電力外送的主要選擇[1-3]。特別是大型水電站，地處深山峽谷，由于特殊的地理環境，電力外送存在諸多限制因素，為了保障電力外送安全，很多大型水電站都選擇了GIL作為電力外送的輸送方式。

GIL運行時，外殼會在電流傳導方向上因渦流感應發熱而引起熱脹冷縮位移變化。在設計階段，對熱脹冷縮引起的位移變化不予充分的考慮，將會對設備的安全穩定運行構成嚴重威脅。

傳統GIL外殼熱脹冷縮位移變化吸收與補償方式為：在外殼的電流傳導方向上，設置伸縮節，通過伸縮節在電流傳導方向上的伸縮變化，實現外殼熱脹冷縮位移變化的吸收與補償。伸縮節設置因要考慮外殼整體的機械強度，可以吸收與補償的位移變化極其有限，特別針對長距離的GIL，熱脹冷縮位移變化量極大，亟需要一種可靠的方式對其熱脹冷縮位移變化進行吸收與補償。

1 大電流通斷引起的熱脹冷縮位移變化

電流流過導體，會產生熱量。根據電流的熱效應Q=I2Rt，產生熱量的大小和電流的平方，導體本身的電阻值以及電流通過的時間成正比。

當GIL流過電流時，其外殼因渦流感應作用，會產生與傳導電流等值反向的感應電流。感應電流因做功而發熱，外殼中的粒子會隨著溫度的升高而振動幅度加大，在電流傳導方向上發生膨脹延長。當GIL停止運行，溫度下降時，外殼中粒子的振動幅度便會降低，在電流傳導方向上收縮變短。

某電站GIL采用上下分段懸掛式結構，上下兩段之間用水平段連接，相關參數如表1所示。由熱脹冷縮位移量α=L×β×Δt(式中L為出線豎井高度；β為外殼材料ALmg3防銹鋁熱膨脹系數，Δt為導體/殼體的溫升)可知GIL外殼熱脹冷縮位移變化量為：上段出線豎井外殼熱脹冷縮位移量為343.4 mm；下段出線豎井外殼熱脹冷縮位移量為274.7 mm；水平段外殼熱脹冷縮位移量為279.3 mm。

表1 某電站GIL相關參數表

2 鉸鏈型波紋膨脹節對GIL外殼熱脹冷縮位移變化的吸收與補償

GIL在運行中，由于渦流感應和熱脹冷縮作用，其外殼在電流傳導方向上會發生一定量的位移。為了消除位移變化對設備安全穩定運行的影響，需要對熱脹冷縮膨脹量進行吸收與補償。

據前文可知，某電站上段豎井、下段豎井以及水平段外殼熱脹冷縮膨脹量達到了300 mm左右，采用常規的軸向伸縮節已經難以滿足熱脹冷縮膨脹量的需求。為了吸收與補償長距離GIL運行中外殼熱脹冷縮位移的變化，經過多種方案比選，該電站最終選擇使用鉸鏈型波紋膨脹節，見圖1。

圖1 鉸鏈型波紋膨脹節圖

該電站GIL鉸鏈型波紋膨脹節分別設置在水平段靠垂直段端頭以及水平段中部轉彎位置，以垂直段外殼熱脹冷縮為例，對鉸鏈型波紋膨脹節工作原理進行說明：GIL運行時，垂直段的外殼受熱膨脹，在軸向方向伸長，帶動水平段母線向下運動，靠垂直段的鉸鏈型波紋膨脹節產生一個向下的角度，遠離垂直段的鉸鏈型波紋膨脹節產生一個向上的角度，通過這種角度的改變可以實現對垂直段外殼熱脹冷縮的吸收與補償。其工作原理見圖2。

圖2 鉸鏈型波紋膨脹節工作原理圖

3 鉸鏈型波紋膨脹節中間段長度的選擇

鉸鏈型波紋膨脹節，因自身偏轉角度限制，它在運行時，一方面要保證GIL外殼熱脹冷縮膨脹量能被完全吸收與補償，另一方面，它的偏轉角度不能超過其最大允許偏差。通過對鉸鏈型波紋膨脹節工作原理進行分析，發現兩個膨脹節中間段的長度，對于熱脹冷縮位移量吸收與補償至關重要。

以前文所述電站為例，對鉸鏈型波紋膨脹節中間段長度的選擇進行計算說明。該電站使用的鉸鏈型波紋膨脹節最大允許偏差為4.5°,而內部導體HM觸頭最大容許撓度是3.0°，因此，GIL在運行時，鉸鏈型波紋膨脹節最大允許偏轉角度不能超過3°。

垂直段配備的鉸鏈型波紋膨脹節中間段長度計算原理見圖3。

圖3 垂直段計算原理圖

從圖3中可知，sinφ=α/X(式中φ為鉸鏈波紋膨脹節偏轉角度；α為垂直段運行中的伸長量，X為一對鉸鏈式波紋膨脹節中間段的長度)，因鉸鏈型波紋膨脹節最大允許偏轉角度不能超過3°，因此：上段出線豎井鉸鏈型波紋膨脹節中間段長度≥6.56 m；下段出線豎井鉸鏈型波紋膨脹節中間段長度≥5.25 m。

水平段配備的鉸鏈型波紋膨脹節中間段長度計算原理見圖4。

圖4 水平段計算原理圖

圖4中φ1為水平段管母轉彎位置安裝角度；φ2為熱膨脹后的角度，從圖4中可知：

鉸鏈波紋膨脹節偏轉角度φ=φ1-φ2；

φ2=180°-tan-1(X·sin(180°-φ1))/(X·(180°-φ1)-279.3)

因鉸鏈型波紋膨脹節最大允許偏轉角度不能超過3°(即φ≤3°)，可以得知水平段管母鉸鏈式波紋膨脹節中間段長度≮4.62 m，才能滿足熱脹冷縮位移變化的需求。

4 結 語

GIL作為越來越多的電站與外界電網連接的通道，在設計階段，除考慮正常安裝因素之外，還得考慮投入運行后，其外殼因渦流感應發熱引起的在電流傳導方向上產生的熱脹冷縮大位移變化。在本文所述電站中，選擇使用鉸鏈式波紋膨脹節，實現懸掛式GIL熱脹冷縮大位移變化的吸收與補償，保障設備的安全穩定運行。在使用鉸鏈式波紋膨脹節對熱脹冷縮位移變化進行吸收與補償時，需要注意以下幾點：

1)鉸鏈式波紋膨脹節需要成對使用，單個使用并不能達到吸收和補償熱脹冷縮位移變化的目的；

2)成對使用的鉸鏈式波紋膨脹節，需要根據膨脹節最大允許偏轉角度以及內部導體允許的最大偏轉角度，選擇合適的中間段長度。