一种对GIL外壳热胀冷缩位移变化的吸收与补偿方法

刘 扬，慎志勇，邓 川

(中国长江电力股份有限公司白鹤滩水力发电厂，四川 宁南 615400)

GIL作为一种高电压、大电流、长距离的电力传输设备[1-3]，由于其输电容量大，占地面积少，运行成本低，环境友好和安全性高等显著优点[4-5]，逐渐替代架空线、电缆，成为发电厂电力外送的主要选择[1-3]。特别是大型水电站，地处深山峡谷，由于特殊的地理环境，电力外送存在诸多限制因素，为了保障电力外送安全，很多大型水电站都选择了GIL作为电力外送的输送方式。

GIL运行时，外壳会在电流传导方向上因涡流感应发热而引起热胀冷缩位移变化。在设计阶段，对热胀冷缩引起的位移变化不予充分的考虑，将会对设备的安全稳定运行构成严重威胁。

传统GIL外壳热胀冷缩位移变化吸收与补偿方式为：在外壳的电流传导方向上，设置伸缩节，通过伸缩节在电流传导方向上的伸缩变化，实现外壳热胀冷缩位移变化的吸收与补偿。伸缩节设置因要考虑外壳整体的机械强度，可以吸收与补偿的位移变化极其有限，特别针对长距离的GIL，热胀冷缩位移变化量极大，亟需要一种可靠的方式对其热胀冷缩位移变化进行吸收与补偿。

1 大电流通断引起的热胀冷缩位移变化

电流流过导体，会产生热量。根据电流的热效应Q=I2Rt，产生热量的大小和电流的平方，导体本身的电阻值以及电流通过的时间成正比。

当GIL流过电流时，其外壳因涡流感应作用，会产生与传导电流等值反向的感应电流。感应电流因做功而发热，外壳中的粒子会随着温度的升高而振动幅度加大，在电流传导方向上发生膨胀延长。当GIL停止运行，温度下降时，外壳中粒子的振动幅度便会降低，在电流传导方向上收缩变短。

某电站GIL采用上下分段悬挂式结构，上下两段之间用水平段连接，相关参数如表1所示。由热胀冷缩位移量α=L×β×Δt(式中L为出线竖井高度；β为外壳材料ALmg3防锈铝热膨胀系数，Δt为导体/壳体的温升)可知GIL外壳热胀冷缩位移变化量为：上段出线竖井外壳热胀冷缩位移量为343.4 mm；下段出线竖井外壳热胀冷缩位移量为274.7 mm；水平段外壳热胀冷缩位移量为279.3 mm。

表1 某电站GIL相关参数表

2 铰链型波纹膨胀节对GIL外壳热胀冷缩位移变化的吸收与补偿

GIL在运行中，由于涡流感应和热胀冷缩作用，其外壳在电流传导方向上会发生一定量的位移。为了消除位移变化对设备安全稳定运行的影响，需要对热胀冷缩膨胀量进行吸收与补偿。

据前文可知，某电站上段竖井、下段竖井以及水平段外壳热胀冷缩膨胀量达到了300 mm左右，采用常规的轴向伸缩节已经难以满足热胀冷缩膨胀量的需求。为了吸收与补偿长距离GIL运行中外壳热胀冷缩位移的变化，经过多种方案比选，该电站最终选择使用铰链型波纹膨胀节，见图1。

图1 铰链型波纹膨胀节图

该电站GIL铰链型波纹膨胀节分别设置在水平段靠垂直段端头以及水平段中部转弯位置，以垂直段外壳热胀冷缩为例，对铰链型波纹膨胀节工作原理进行说明：GIL运行时，垂直段的外壳受热膨胀，在轴向方向伸长，带动水平段母线向下运动，靠垂直段的铰链型波纹膨胀节产生一个向下的角度，远离垂直段的铰链型波纹膨胀节产生一个向上的角度，通过这种角度的改变可以实现对垂直段外壳热胀冷缩的吸收与补偿。其工作原理见图2。

图2 铰链型波纹膨胀节工作原理图

3 铰链型波纹膨胀节中间段长度的选择

铰链型波纹膨胀节，因自身偏转角度限制，它在运行时，一方面要保证GIL外壳热胀冷缩膨胀量能被完全吸收与补偿，另一方面，它的偏转角度不能超过其最大允许偏差。通过对铰链型波纹膨胀节工作原理进行分析，发现两个膨胀节中间段的长度，对于热胀冷缩位移量吸收与补偿至关重要。

以前文所述电站为例，对铰链型波纹膨胀节中间段长度的选择进行计算说明。该电站使用的铰链型波纹膨胀节最大允许偏差为4.5°,而内部导体HM触头最大容许挠度是3.0°，因此，GIL在运行时，铰链型波纹膨胀节最大允许偏转角度不能超过3°。

垂直段配备的铰链型波纹膨胀节中间段长度计算原理见图3。

图3 垂直段计算原理图

从图3中可知，sinφ=α/X(式中φ为铰链波纹膨胀节偏转角度；α为垂直段运行中的伸长量，X为一对铰链式波纹膨胀节中间段的长度)，因铰链型波纹膨胀节最大允许偏转角度不能超过3°，因此：上段出线竖井铰链型波纹膨胀节中间段长度≥6.56 m；下段出线竖井铰链型波纹膨胀节中间段长度≥5.25 m。

水平段配备的铰链型波纹膨胀节中间段长度计算原理见图4。

图4 水平段计算原理图

图4中φ1为水平段管母转弯位置安装角度；φ2为热膨胀后的角度，从图4中可知：

铰链波纹膨胀节偏转角度φ=φ1-φ2；

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

因铰链型波纹膨胀节最大允许偏转角度不能超过3°(即φ≤3°)，可以得知水平段管母铰链式波纹膨胀节中间段长度≮4.62 m，才能满足热胀冷缩位移变化的需求。

4 结 语

GIL作为越来越多的电站与外界电网连接的通道，在设计阶段，除考虑正常安装因素之外，还得考虑投入运行后，其外壳因涡流感应发热引起的在电流传导方向上产生的热胀冷缩大位移变化。在本文所述电站中，选择使用铰链式波纹膨胀节，实现悬挂式GIL热胀冷缩大位移变化的吸收与补偿，保障设备的安全稳定运行。在使用铰链式波纹膨胀节对热胀冷缩位移变化进行吸收与补偿时，需要注意以下几点：

1)铰链式波纹膨胀节需要成对使用，单个使用并不能达到吸收和补偿热胀冷缩位移变化的目的；

2)成对使用的铰链式波纹膨胀节，需要根据膨胀节最大允许偏转角度以及内部导体允许的最大偏转角度，选择合适的中间段长度。