新型復(fù)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(fù)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(fù)合管道輸電線路(簡稱復(fù)合GIL/GIB)是一種新型輸電技術(shù)，其復(fù)合殼體是在金屬材料內(nèi)襯層表面纏繞一定厚度的質(zhì)量輕、成本低、耐腐蝕性強的復(fù)合材料層而形成的。針對新型復(fù)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?？紤]了溫升模型的熱平衡狀態(tài)以及相關(guān)材料物性參數(shù)的溫度效應(yīng)，將仿真結(jié)果與實際溫升試驗測量結(jié)果比較，總結(jié)得出了相關(guān)的結(jié)論，從而為復(fù)合GIL/GIB的設(shè)計、制造及工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合GIL/GIB；溫升；趨膚效應(yīng)；自然對流

中圖分類號：TM751

文獻標(biāo)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(shè)計研發(fā)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(fù)合管道輸電線路(復(fù)合GIL/GIB)作為一種新型的高電壓、大電流電力傳輸設(shè)備，相較于傳統(tǒng)金屬GIL/GIB，其復(fù)合殼體是在金屬材料內(nèi)襯層表面纏繞一定厚度的質(zhì)量輕、成本低、耐腐蝕性強的復(fù)合材料層而形成的。復(fù)合殼體的金屬層厚度約為傳統(tǒng)金屬殼體厚度的一半，同時復(fù)合殼體的設(shè)計相較傳統(tǒng)金屬殼體更適合直埋式安裝，因此復(fù)合GIL/GIB具有更好的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

復(fù)合GIL/GIB同樣面臨溫升發(fā)熱的問題。溫升不僅限制了復(fù)合GIL/GIB的最大載流能力，而且過高的溫升會直接影響其內(nèi)部非導(dǎo)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(fù)合GIL/GIB的金屬層更薄，殼體環(huán)流產(chǎn)生的電阻熱損耗更大；同時，復(fù)合殼體表面的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，不利于內(nèi)部熱量向外傳遞。因此，研究復(fù)合GIL/GIB的溫升問題對于復(fù)合GIL/GIB的設(shè)計、制造及工程應(yīng)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(fù)合GIL/GIB試驗樣機的基礎(chǔ)上，試驗環(huán)境為常規(guī)大氣環(huán)境，該試驗樣機已經(jīng)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(fù)合GIL/GIB溫升模型，將仿真結(jié)果與型式試驗中的溫升試驗結(jié)果進行比較，最后得出一些合理的結(jié)論，從而為復(fù)合GIL/GIB的設(shè)計、制造及工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1仿真模型求解域的建立

考慮到復(fù)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(dāng)簡化。假設(shè)復(fù)合GIL/GIB水平敷設(shè)，同時假設(shè)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(dǎo)體、鋁殼體、玻璃鋼殼體、內(nèi)部SF6氣體、外部空氣等區(qū)域以及相應(yīng)的邊界組成。B1，B2，B3，B4為固體和氣體接觸邊界，B5為空氣遠(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)體和鋁殼體的電導(dǎo)率是隨溫度變化的參數(shù)，所以必須考慮電導(dǎo)率的溫度效應(yīng)。因此電阻熱損耗也是隨著溫度的變化而變化的瞬態(tài)變化量。二維模型求解域中的鋁導(dǎo)體和鋁殼體區(qū)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(dāng)在鋁導(dǎo)體上通入一定大小的電流時，鋁殼體會產(chǎn)生幾乎同樣大小的反向感應(yīng)電流(殼體環(huán)流)[10]。通入的線圈激勵電流大小是根據(jù)GIL/GIB運行時的額定電流Ir以及其溫升試驗標(biāo)準(zhǔn)要求來確定的[11]。電磁場模型的仿真求解主要依據(jù)安培定律，同時設(shè)定空氣遠(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)、熱輻射和熱對流3種基本傳熱方式[12]。復(fù)合殼體內(nèi)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(fù)合殼體；復(fù)合殼體的金屬材料層(鋁)通過熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞向復(fù)合材料層(玻璃鋼)；復(fù)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(huán)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(tài)過程，與時間相依。在單位時間內(nèi)，當(dāng)鋁導(dǎo)體和鋁殼體產(chǎn)生的單位長度電阻熱損耗之和與散發(fā)到外界環(huán)境的散熱量相等時，達(dá)到熱平衡狀態(tài)[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(dǎo)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(dǎo)體熱輻射散熱量；QdD為單位長度單相鋁導(dǎo)體封閉空間自然對流散熱量；QkF為單位長度單相復(fù)合殼體熱輻射散熱量；QkD為單位長度單相復(fù)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(nèi)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(shù)的溫度效應(yīng)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(huán)境輻射邊界B4和空氣開邊界B5施加溫度邊界條件Tamb(環(huán)境溫度)，環(huán)境溫度為313.15 K(40 ℃)；

(2)設(shè)定輻射邊界B1，B2，B3，B4的表面發(fā)射率,鋁表面發(fā)射率為0.3，油漆表面發(fā)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(jié)果及分析

4.1　電磁場仿真計算結(jié)果及分析

仿真模型主要尺寸及參數(shù)如表1。

表1　仿真模型主要尺寸及參數(shù)

圖2為鋁導(dǎo)體通入4 400 A電流時的電流密度分布，圖3為鋁殼體產(chǎn)生相應(yīng)感應(yīng)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(xiàn)出明顯的趨膚效應(yīng)[14]，鋁導(dǎo)體電流密度分布從內(nèi)側(cè)到外側(cè)電流密度值越來越大，鋁殼體電流密度分布從內(nèi)側(cè)到外側(cè)電流密度值越來越小。

圖2　鋁導(dǎo)體電流密度分布

圖3鋁殼體電流密度分布

考慮電導(dǎo)率隨溫度變化的特性，根據(jù)電流密度分布的仿真結(jié)果，利用面積分公式得到熱平衡狀態(tài)下單位長度鋁殼體和鋁導(dǎo)體的電阻熱損耗計算值如表2。對比傳統(tǒng)工程計算經(jīng)驗公式[13]的計算結(jié)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(zhǔn)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(jié)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(tài)過程，將得到的穩(wěn)態(tài)值作為仿真結(jié)果?？紤]流體的主要物性參數(shù)的溫度效應(yīng)。參考3.3來設(shè)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(shè)置瞬態(tài)溫升模型的仿真熱平衡時間為21 600 s，時間步長為10 s。經(jīng)過仿真計算，得到流體場、溫度場模型的相關(guān)仿真結(jié)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(dǎo)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(tài)，達(dá)到相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)熱平衡溫度。導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果與實際型式試驗中的溫升試驗測量結(jié)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(jié)果和試驗測量結(jié)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(jié)果對于復(fù)合GIL/GIB試驗樣機的設(shè)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(jié)果比較　K

圖5為整個仿真求解域的溫度場分布?？梢钥闯?，溫度場分布呈現(xiàn)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(qū)域內(nèi)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?？梢钥闯?，導(dǎo)體以及其內(nèi)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(xiàn)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(dǎo)體與殼體之間的SF6氣體溫度場分布呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)論

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

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

(3)由流體場流體速度分布規(guī)律以及溫度場的溫度分布規(guī)律可以看出，自然對流傳熱方式是影響單相復(fù)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(tài)溫升模型仿真計算結(jié)果和實際溫升試驗結(jié)果，驗證了本文建立的瞬態(tài)溫升模型的可行性和準(zhǔn)確性，從而為復(fù)合GIL/GIB的設(shè)計、制造及工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

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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)