阀厅金具大电流温升试验及仿真计算

吴昊，彭宗仁，杨媛，王加龙

(1.西安交通大学电气工程学院，西安市 710048；2.国网北京经济技术研究院，北京市 102209)



阀厅金具大电流温升试验及仿真计算

吴昊1，彭宗仁1，杨媛2，王加龙1

(1.西安交通大学电气工程学院，西安市 710048；2.国网北京经济技术研究院，北京市 102209)

随着直流输电容量的不断提升，对阀厅金具通流容量，载流的可靠性、耐热性提出了更高的要求。在直流输电工程中，阀厅金具承担着电力设备的电气连接、机械固定及均压屏蔽的作用。其运行电流大、工作电压高、散热条件较差，因此研究容量提升后现有阀厅金具的运行可靠性十分必要。以2种阀厅典型金具为研究对象，应用等效圆柱体模拟接触电阻，以及电-热耦合方法对金具温度场进行了有限元仿真计算，同时进行了大电流温升试验，使用红外热像仪等设备测量分析了铝排、绞线的分流不均现象，以及焊接、螺栓连接处的局部过热现象。大电流温升试验及仿真分析表明：在电流为5.62 kA时，试品金具存在局部过热及分流不均的现象，仿真结果与试验吻合。

容量提升；阀厅金具；温升试验；电热耦合场

0 引 言

目前特高压直流输电工程的额定输送电压已达800 kV，在不显著升高系统绝缘水平的基础上，提高输送电流至6.25 kA，将增强远距离电能输送能力，对完成全国范围内的资源优化配置具有重要意义。提高输送电流需要充分考虑线路、电力设备、阀厅金具载流的可靠性、耐热性及衍生问题。

在换流站阀厅中，阀厅金具用来完成套管，阀塔等电力设备的电气连接、机械固定以及均压屏蔽。阀厅金具工作在封闭空间，基本处于自然对流状态，同时承担着全电流的传输作用[1]，因此运行电流的提升容易使金具出现局部过热而引发事故。另一方面，阀厅内金具种类繁多，在技术上需考虑防电晕要求、机械强度要求、载流量要求、耐热性要求[2]。目前我国尚无关于阀厅金具运行温度的标准，阀厅金具的大电流温升试验也鲜有报道。在本文中，对2种现有阀厅典型金具进行了大电流温升试验，分析了容量提升后现有阀厅金具能否稳定运行的问题。重点研究在大电流温升试验中绞线、铝排的分流问题，以及绞线与联板连接处、铝排与抱箍连接处的局部过热问题。

本文应用有限元分析软件ANSYS对阀厅金具的温度场进行了仿真，有限元仿真方法在力场、电场及多物理耦合场的计算中已有较为广泛的应用[3-7]。文献[3]采用使用二维有限元模型，对直流电缆在阶跃电压下的电热耦合场进行了仿真。文献[4]对电触头的结构-电-热耦合场进行有限元仿真。文献 [5]使用有限元方法计算了小型直流电磁继电器的温度场。文献[6]对电磁脉冲环境下电磁继电器的温度场进行了仿真。文献[7]分析计算了套管中相互耦合的温度场和电场。与以上文献的研究对象相比，本文的金具试品具有形状复杂，散热条件差，负荷电流大的特点。文中对金具试品在给定电流下的温升情况进行了三维有限元仿真，并将仿真结果与试验数据进行了比较。同时预测了加载电流提升至6.25 kA时试品的温度分布。

1 大电流温升试验

1.1 试验布置及金具试品

金具大电流温升试验在大电流实验室内完成，室内温度能够进行小范围调节。试验电源的最大输出电流为6 kA，通过主控台可以对输出电流进行连续调节，输出电压低于人体安全电压36 V，在试验中可使用红外热像仪和热电偶对金具试品表面温度进行测量。

被测试品分为绞线类及铝排类，如图1所示。其中金具A为绞线类，金具B为铝排类。金具A由抱箍、绞线、联板、线夹组成，用于400 kV套管头部的引流。在运行时，抱箍及铸铁杆件完成固定承重，8分裂绞线实现引流，绞线与管母通过抱箍连接。金具B由抱箍I、抱箍II、铝排组成，用于400 kV穿墙套管头部与管母的连接，6组铝排完成引流。金具B的螺栓均使用力矩扳手按照图纸要求安装，使分流尽可能均匀。

1.2 大电流温升试验结果

为了研究容量提升后大电流对现有金具温度场的影响，保证试验电源的安全运行，故以5.62 kA作为试验加载电流。待金具温度稳定后，分别使用热电偶及红外热像仪测量金具表面温度，试验环境温度为26 ℃。

绞线及铝排上均有3个热电偶测量点，且位置相似：左、右测量点距离端部100 mm，中测量点为绞线、铝排的中点。同时使用钳形电流表测量了每根绞线及每组铝排的载流量，测量值如表1、2所示。

图1 被测金具试品

表2 金具B铝排温度及电流测量值

由表1、2可以看出，受到接触电阻的影响，绞线及铝排分流不均匀，其中螺栓连接铝排的不均匀程度比焊接连接的绞线更大，绞线载流量的最大比值为1.87，铝排载流量的最大比值为2.4，金具A绞线最大温升为23 ℃，最大温差10 ℃，金具B铝排最大温升为61 ℃，最大温差31 ℃。载流不均匀是造成金具的局部过热的因素之一，影响金具长期稳定运行。

使用红外热像仪对金具A、B的整体温度分布进行了测量，其温度分布如图2所示。

图2 试品表面温度分布

由图2可以看出，受接触电阻及热阻的影响，金具A绞线和联排焊接处温度为58 ℃；金具B铝排和抱箍螺栓连接处温度为97 ℃；分别为2种金具的温度最高点。阀厅金具焊接及螺栓紧固造成的接触电阻是引起金具局部过热的主要因素。考虑到没有关于阀厅金具的国家标准，在本文中，使用DL/T 664—2008《带电设备红外诊断应用规范》[8]来评估金具的发热情况。在本温升试验中，金具B最高温度为97 ℃，相对环境温升为71 ℃，金具自身温差为31 ℃，属于严重缺陷。

2 有限元仿真计算

2.1 温度场计算流程

本文采用有限元仿真分析方法，进行电流场和温度场耦合仿真计算。首先通过电流场计算，得到金具各节点处电流矢量及各有限元单元的焦耳热，在此基础上进行温度场计算，得到金具的温度场分布。考虑到金属的电阻率随温度变化，可在不同温度下测量金具所用材料的电阻率，作为仿真计算的材料参数，反复迭代直至收敛，得到金具试品的温度场分布。计算流程如图3所示。

图3 温度场计算流程

在建模过程中，绞线和抱箍的焊接处以及铝排和联板的螺栓连接处的接触电阻用圆柱体等效模拟。根据电接触理论，圆柱体的半径及长度为

(1)

式中：R为电阻值;ρ为材料电阻率;a为接触电阻半径;l为圆柱体长度[9]。

2.2 温度场计算原理及边界条件

电流流过阀厅金具时产生焦耳热，在发热过程中通过传导、对流、辐射与周边介质进行热交换，热交换过程中系统的温度、热流率及边界条件均随着时间变化。瞬态热平衡方程为

CT′+KT=Q

(2)

式中：C为比热矩阵；T′为节点温度对时间的导数向量；K为传导矩阵，包括导热系数，对流换热系数及辐射率和形状系数；T为节点温度向量；Q为节点热流率向量，包含生热率[10]。在应用有限元法求解温度场分布时，可以使用变分原理，将式等价为其泛函形式，进而进行求解[6]，如式(3)所示。

(3)

式中：I为热流率，W；K为导热系数， W/(m·K)；T为金具各节点温度，℃；qv为单位体积热源的生成率，W/m3；α为散热系数，W/(m2·K)；T0为周围介质温度，℃。

金具一般是通过对流散热和辐射散热与外界进行热交换，而内部热传递的主要方式是传导。传导、对流、辐射这3种方式的热传递的速率方程分别为

(4)

式中：Φ为热流率，W；λ为导热系数， W/(m·K)；t为温度，℃；h为表面传热系数，W/(m2·K)；A为金具的对流面积，m2；Δt为金具与环境温度差，℃；ε为发射率；A1为金具的辐射面积，m2；σ为黑体辐射常数，σ=5.67×10-8W/(m2·K4);T1、T2分别为金具表面温度及环境温度，℃[11]。

在工程应用中，为了简化计算，通常将对流散热及辐射散热等效为热交换边界条件，根据牛顿散热定律，金具与气体热交换边界条件可以表示为

(5)

式中α为散热系数[12]，本文在金具模型加载边界条件时采用了这种简化方法。仿真计算中，金具模型各材料参数如表3所示。

表3 材料参数表(20 ℃)

Table 3 Material parameters (20 ℃)

3 仿真计算结果分析

3.1 加载5.62 kA电流

加载电流为5.62 kA时，阀厅金具的温度场仿真结果如图4所示。

由图4可以看出，金具A联板及抱箍焊接处温度较高，金具B抱箍螺栓连接处温度较高，与金具电流温升试验现象吻合。绞线和铝排端部温度高，中间温度稍低，绞线和铝排的仿真值与实测值误差在5 ℃以内。

表4、5对比了仿真结果与实测值，可以看出除金具B的抱箍II螺栓连接处以外，金具A、B各关键处仿真结果与温升试验结果基本吻合。

在计算过程中，金具各部分的散热系数与试验存在一定的偏差，导致仿真结果存在一定误差。对于金具B，由于螺栓连接处的铝排和抱箍表面接触存在空隙，在空隙处热量是以对流和辐射的方式传递的，因此铝排和抱箍之间存在着接触热阻[9]。在本文仿真计算中忽略了接触热阻，这是金具B螺栓连接处误差较大的原因。

图4 温度分布仿真结果(5.62 kA)

℃

表5 金具B温度实测值与仿真值对比(5.62 kA)

℃

3.2 加载6.25 kA电流

3.2.1 温升试验条件下温度分布

通过对比上述仿真与试验结果，证明本文所采用的顺序耦合有限元仿真方法可以有效地计算出阀厅金具在电流激励下的温度场分布。因此，可用上述计算方法对金具A加载6.25 kA电流，计算原温升试验条件下，容量提升后阀厅金具温度场分布。

金具A加载电流为6.25 kA时的温度场仿真结果如图5所示。环境温度为26 ℃，金具A最高温度为58 ℃，最大温升约32 ℃，各绞线及连接部分温度场分布相对均匀，温度梯度较小，仍能够满足运行要求。

图5 金具A温度分布仿真结果(6.25 kA)

3.2.2 分流均匀条件下温度分布

由前文分析可以得出，分流不均是造成金具局部过热的原因之一。以金具B为例，分别计算在温升试验条件、分流均匀条件下金具B温度场分布。其中在分流均匀条件下，各铝排与抱箍的接触电阻取值相同，均为温升试验中接触电阻的中间值。仿真结果如图6所示。

在温升试验条件下，金具B的最高温度已达115 ℃，在分流均匀条件下，金具B的最高温度为95 ℃，可以看出铝排分流均匀可以有效降低金具的最高温度，缓解试品局部过热的现象。

根据DL/T 664—2008《带电设备红外诊断应用规范》规定，热点温度>90 ℃属于严重缺陷，热点温度>130 ℃属于危急缺陷。在温升试验条件下，金具的最高温度接近130 ℃的危急缺陷值；在分流均匀条件下，由于接触电阻的影响，最高温度也超过了严重缺陷值。故金具B尚不能满足容量提升后长期可靠运行的要求。因此需要在设计、工艺及施工上进行改进和优化，采取涂抹导电膏等辅助手段，进而降低接触电阻值，避免局部过热，提高金具的载流量。

图6 金具B温度分布仿真结果(6.25 kA)

4 结 论

(1)通过对比分析仿真计算与温升试验，金具A和金具B的仿真值与试验结果基本吻合，验证了本文所采用的有限元仿真计算方法的可行性。该方法可以有效地计算阀厅金具在不同电流激励下的温度场分布。

(2)在5.62 kA的激励电流下，绞线类金具和铝排类金具均存在分流不均匀及局部过热的现象。铝排类金具分流不均匀程度比绞线类金具严重。

(3)在6.25 kA的激励电流下，铝排类金具B最高温度已达115 ℃，接近危急缺陷限值，尚不能满足容量提升后长期可靠运行的要求。

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(编辑: 蒋毅恒)

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

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2014AA051803)；国家电网公司科技项目(GWJYYKJ[2012]277号)。

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0016-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.003

2015-06-06

2015-07-17

吴昊(1990)，男，博士研究生，主要从事变压器用油纸绝缘介电性能的研究；

彭宗仁(1953)，男，教授，通讯作者，主要从事超特高压电力设备外绝缘与均压特性高压交直流套管的材料结构及电气特性等方面研究；

杨媛(1983)，女，博士，工程师，主要从事直流阀厅施工与运行维护的研究；

王加龙(1988)，男，博士研究生，主要从事特高压直流阀厅复杂场域电场仿真计算。

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