高海拔直流金具散熱研究*

李增超，付江浩，王文豪，鄔安琪，張 煒，楊國華

(平高集團有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

目前特高壓直流輸電工程的輸送電壓高達百萬伏，提高電流的輸送值將極大的增強遠距離電能輸送能力，對完成全國范圍內的電力資源優化配置具有重要的意義。直流場建設海拔的提高就必須要考慮其金具的載流的可靠性和耐熱性等問題，金具在高海拔下長時間運行過程中容易出現局部過熱而引發事故[1-2]。在昌吉換流站直流場中，金具與電力設備的抱夾連接部分出現局部過熱問題。本文應用有限元分析軟件對金具在不同海拔下進行溫度場仿真，擬合出金具表面最高溫度與海拔之間的曲線關系。有限元仿真方法在力場、電場及多物理耦合場的計算中已有較為廣泛的應用[3]。

1 金具結構與有限元仿真計算

1.1 金具結構

在直流場輸電中，發熱較為突出的部位是抱夾結構。為了研究連接金具在高海拔的發熱規律，本文對其不同類型的抱夾金具做模型設計。金具模型連接圖及加載電流方向如圖1所示，電流流經載流排、管母線、抱夾、導線等部位。

圖1 金具模型

在圖1金具模型中抱夾A為三分裂抱夾，抱夾B為二分裂抱夾，抱夾C為長筒型抱夾。對不同類型的抱夾金具進行溫升對比仿真，通過管母線連接不同類型的抱夾金具，保證通流條件一致。

圖2中(a)(b)為三分裂抱夾，(c)(d)為二分裂抱夾。(a)(c)為原始結構，針對每種抱夾，增加了散熱翅的設計，分別對應于(b)(d)。

圖2 不同類型抱夾

圖3 溫度場計算流程

1.2 溫度場計算流程

本文采用有限元仿真分析方法，進行電流場和溫度場耦合計算仿真計算。首先對金具模型做電流場計算，得到連接金具各有限單元的焦耳熱，以此為基礎再對其做溫度場計算，得到金具的溫度場分布[4]。計算流程如圖3所示。

在圖3溫度場計算流程中，計算載流連接金具在額定載流下的溫度場分布，所用導體材料導熱系數和電導熱率隨溫度變化，可由關于溫度的函數擬合得到，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—導熱系數，W/m·K；T—溫度，K；γAL—電導率，S/m。

1.3 不同海拔高度對金具表面最高溫度的影響

對流換熱是換流站金具實際運行時的主要散熱方式。對流換熱是換流站金具在實際運行時的主要散熱方式。對流換熱系數的大小取決于貼近金具表面空氣的溫度變化率和導熱能力，而空氣的導熱能力又與空氣的密度相關。對流換熱過程的前提是空氣和金具之間存在溫度差，在熱對流和熱傳導的兩種機制下與空氣之間的熱傳遞過程。運用相似解對金具和空氣的對流換熱系數進行研究，采用換熱試驗關聯式：

(3)

式中，Num為金具表面平均換熱系數組成的努賽爾數，熱邊界的溫度采用平均溫度。Pr為普朗特系數，常量系數C，m值取決于格拉曉夫數Gr，如表1所示[6-7]。

表1 常量系數C與n的取值表

再通過對針對格拉曉夫數、努塞爾數的數學表達式的等效代換，可以計算得到不同海拔下的對流換熱系數，如表2所示[8-9]。

表2 不同海拔高度下的對流換熱系數表

2 仿真計算結果分析

2.1 不同類型抱夾仿真結果分析

針對不同類型抱夾加載額定電流5000 A，為避免每種抱夾金具對其他金具的影響，將每種類型的金具的熱場分布進行單獨計算。圖4、圖5為抱夾溫度分布圖。

圖4 三分裂抱夾溫度分布 圖5 二分裂抱夾溫度分布

圖4為通過仿真計算單獨得到的三分裂抱夾溫度分布。抱夾a處(圖4中左端)溫升為 328.8 K，抱夾b(圖4中右端)處溫升為 326 K，可以看出，散熱翅的設計增大了金具表面的散熱面積，散熱面積增加了四分之一，一定程度上降低了抱夾溫升。同樣的規律也出現在二分裂抱夾上，裝有散熱翅和未裝散熱翅的二分裂抱夾溫度分別為 329.1 K、326.8 K。

2.2 典型抱夾金具仿真結果分析

在不同海拔對連接金具加載額定電流5000 A，分別計算典型抱夾金具在海拔0～5000 m處的溫升情況，圖6為不同海拔高度下抱夾金具表面最高溫度場分布。

圖6 不同海拔下抱夾金具表面溫度場分布圖

通過對典型抱夾金具在不同高度做有限元分析，做出金具表面的最高溫度隨海拔高度變化的曲線圖。

從圖7中可以看出，隨著海拔高度的增長，銅端子金具表面最高溫度值隨海拔高度的變化曲線關系近似成線性。通過對海拔-銅端子盒金具表面最高溫度進行線性擬合，得到擬合曲線斜率為15.1×10-4，擬合后的R方值為0.9784，擬合結果良好。計算時，該線夾分裂導線上(溫升最大值位置)的通流密度為7.02×10-5A/m-2。

圖7 抱夾金具表面最高溫度值隨海拔的變化曲線圖

通過改變對流換熱系數對不同海拔高度金具表面的溫度場分布仿真結果可以看出，金具表面溫度的最大值隨海拔高度的變化基本呈線性分布。

3 結論

本文以典型抱夾金具為研究對象，依據直流工程項目中常用圖紙建立了電磁-熱三維有限元仿真計算模型，得到了穩態條件下的溫升時仿真計算結果。研究分析了同類型金具不同結構對溫度場分布的影響和海拔對溫度場分布的影響，得到了典型抱夾金具溫度場分布和典型抱夾金具表面最高溫度隨海拔的變化曲線圖。得到以下結論：

1)利用有限元仿真分析可以得到典型抱夾金具在不同高度下，金具表面的溫度場分布情況，為金具的工程設計提供了理論基礎，提高金具的可靠性。

2)仿真分析結果顯示帶有散熱翅的抱夾相對于同類型抱夾，散熱面積提高了25%左右，其表面最高溫度要低2到3度。金具設計時增加散熱面積，可有效降低表面最高溫度，提高金具通流能力。

3)仿真分析了海拔高度對金具表面溫度場分布的變化，結果表明，隨著海拔高度升高，金具表面溫度最大值近似線性升高，從0 m海拔至5000 m海拔，金具表面最高溫度可相差8 ℃。