高海拔直流金具散热研究*

2022-11-25李增超付江浩王文豪邬安琪杨国华

现代机械 2022年5期

李增超，付江浩，王文豪，邬安琪，张炜，杨国华

(平高集团有限公司，河南平顶山 467000)

0 引言

目前特高压直流输电工程的输送电压高达百万伏，提高电流的输送值将极大的增强远距离电能输送能力，对完成全国范围内的电力资源优化配置具有重要的意义。直流场建设海拔的提高就必须要考虑其金具的载流的可靠性和耐热性等问题，金具在高海拔下长时间运行过程中容易出现局部过热而引发事故[1-2]。在昌吉换流站直流场中，金具与电力设备的抱夹连接部分出现局部过热问题。本文应用有限元分析软件对金具在不同海拔下进行温度场仿真，拟合出金具表面最高温度与海拔之间的曲线关系。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]。

1 金具结构与有限元仿真计算

1.1 金具结构

在直流场输电中，发热较为突出的部位是抱夹结构。为了研究连接金具在高海拔的发热规律，本文对其不同类型的抱夹金具做模型设计。金具模型连接图及加载电流方向如图1所示，电流流经载流排、管母线、抱夹、导线等部位。

图1 金具模型

在图1金具模型中抱夹A为三分裂抱夹，抱夹B为二分裂抱夹，抱夹C为长筒型抱夹。对不同类型的抱夹金具进行温升对比仿真，通过管母线连接不同类型的抱夹金具，保证通流条件一致。

图2中(a)(b)为三分裂抱夹，(c)(d)为二分裂抱夹。(a)(c)为原始结构，针对每种抱夹，增加了散热翅的设计，分别对应于(b)(d)。

图2 不同类型抱夹

图3 温度场计算流程

1.2 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计算仿真计算。首先对金具模型做电流场计算，得到连接金具各有限单元的焦耳热，以此为基础再对其做温度场计算，得到金具的温度场分布[4]。计算流程如图3所示。

在图3温度场计算流程中，计算载流连接金具在额定载流下的温度场分布，所用导体材料导热系数和电导热率随温度变化，可由关于温度的函数拟合得到，如式(1)式(2)所示[5]。

φAL=0.23T+38.51

(1)

γAL=2.326×107×(1+0.0043×(T-293.15))

(2)

式中：φAL—导热系数，W/m·K；T—温度，K；γAL—电导率，S/m。

1.3 不同海拔高度对金具表面最高温度的影响

对流换热是换流站金具实际运行时的主要散热方式。对流换热是换流站金具在实际运行时的主要散热方式。对流换热系数的大小取决于贴近金具表面空气的温度变化率和导热能力，而空气的导热能力又与空气的密度相关。对流换热过程的前提是空气和金具之间存在温度差，在热对流和热传导的两种机制下与空气之间的热传递过程。运用相似解对金具和空气的对流换热系数进行研究，采用换热试验关联式：

(3)

式中，Num为金具表面平均换热系数组成的努赛尔数，热边界的温度采用平均温度。Pr为普朗特系数，常量系数C，m值取决于格拉晓夫数Gr，如表1所示[6-7]。

表1 常量系数C与n的取值表

再通过对针对格拉晓夫数、努塞尔数的数学表达式的等效代换，可以计算得到不同海拔下的对流换热系数，如表2所示[8-9]。

表2 不同海拔高度下的对流换热系数表

2 仿真计算结果分析

2.1 不同类型抱夹仿真结果分析

针对不同类型抱夹加载额定电流5000 A，为避免每种抱夹金具对其他金具的影响，将每种类型的金具的热场分布进行单独计算。图4、图5为抱夹温度分布图。

图4 三分裂抱夹温度分布图5 二分裂抱夹温度分布

图4为通过仿真计算单独得到的三分裂抱夹温度分布。抱夹a处(图4中左端)温升为 328.8 K，抱夹b(图4中右端)处温升为 326 K，可以看出，散热翅的设计增大了金具表面的散热面积，散热面积增加了四分之一，一定程度上降低了抱夹温升。同样的规律也出现在二分裂抱夹上，装有散热翅和未装散热翅的二分裂抱夹温度分别为 329.1 K、326.8 K。

2.2 典型抱夹金具仿真结果分析

在不同海拔对连接金具加载额定电流5000 A，分别计算典型抱夹金具在海拔0～5000 m处的温升情况，图6为不同海拔高度下抱夹金具表面最高温度场分布。

图6 不同海拔下抱夹金具表面温度场分布图

通过对典型抱夹金具在不同高度做有限元分析，做出金具表面的最高温度随海拔高度变化的曲线图。

从图7中可以看出，随着海拔高度的增长，铜端子金具表面最高温度值随海拔高度的变化曲线关系近似成线性。通过对海拔-铜端子盒金具表面最高温度进行线性拟合，得到拟合曲线斜率为15.1×10-4，拟合后的R方值为0.9784，拟合结果良好。计算时，该线夹分裂导线上(温升最大值位置)的通流密度为7.02×10-5A/m-2。