40.5 kV 氣體絕緣母線溫升控制方法

楊 明，鄒 斌，李學(xué)斌

湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430035

應(yīng)用于高海拔地區(qū)大型光伏發(fā)電工程的氣體絕緣母線（gas insulated busbar，GIB）是中國電建集團(tuán)水電總院立項(xiàng)并牽頭，西北院設(shè)計、湖北裝備公司制造生產(chǎn)、黃河上游公司應(yīng)用的大型應(yīng)用型科技項(xiàng)目。GIB 是一種采用SF6 和N2 混合氣體絕緣、外殼與導(dǎo)體同軸布置的大電流電力傳輸設(shè)備。由于采用了壓縮氣體作為絕緣介質(zhì)，設(shè)備尺寸和布置間距大大縮小，能在最大程度上減少設(shè)備布置所需的空間以及相應(yīng)的土建工程量。GIB無開斷和滅弧要求，制造相對簡單，其主要特點(diǎn)有：氣體絕緣全封閉結(jié)構(gòu)，不受高海拔自然環(huán)境條件影響；載流量大，傳輸能力強(qiáng)，損耗低；安裝簡單，運(yùn)行維護(hù)方便；可靠性高，抗震能力強(qiáng)，使用壽命長。由于GIB 傳輸電流大（2 000～4 000 A），而要使GIB 占用安裝空間更小。零部件的溫度過高可能使材料的物理、化學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)品的機(jī)械性能和電氣性能下降，最后導(dǎo)致GIB 不能正常運(yùn)行，影響到整個輸電線路。因此，GIB 產(chǎn)品的散熱和溫升控制是重要的研究內(nèi)容。

1 理論計算

1.1 熱計算理論

GIB 的外殼和導(dǎo)體都是發(fā)熱體，外殼和導(dǎo)體的電阻損耗所產(chǎn)生的熱量使其溫度升高，并向周圍的環(huán)境散熱。當(dāng)發(fā)熱量與散熱量相等時，GIB 處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，這時外殼和導(dǎo)體溫度不再發(fā)生變化，即穩(wěn)定溫度場。對于GIB 導(dǎo)體而言，其損耗在熱穩(wěn)定情況下，一部分以輻射方式傳給外殼，另一部分以自然對流方式傳給外殼，三者應(yīng)滿足第一熱平衡方程［1］：

式（1）中，Pm為單位長度單相導(dǎo)體損耗；QmF為單位長度單相導(dǎo)體輻射散熱量；QmD為單位長度單相導(dǎo)體自然對流散熱量。上面3 個參數(shù)單位均為W/m。就外殼而言，它除了本身損耗外，還接收來自導(dǎo)體的熱量以及太陽輻射能量。這些熱量在熱穩(wěn)定情況下，全部以輻射和自然對流方式傳給環(huán)境。由此可建立第二熱平衡方程式［1］：

式（2）中，PK為單位長度單相外殼損耗；Qt為戶外敷設(shè)的GIB 受太陽輻射能量；QkF為單位長度單相外殼輻射散熱量；QkD為單位長度單相外殼自然對流散熱量。上述4 個變量單位均為：W/m。

當(dāng)GIB 的運(yùn)行條件、敷設(shè)方式、截面尺寸、材料、絕緣氣體等條件確定時，式（1）和式（2）中各項(xiàng)都只是導(dǎo)體溫度和外殼溫度的非線性函數(shù)，求解可得GIB 的導(dǎo)體平均溫度和外殼平均溫度［1］。

式（3）中，λe為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；θm為導(dǎo)體溫度，單位℃；θk為外殼溫度，單位℃；Rkn為外殼內(nèi)半徑，單位m；Rmw為導(dǎo)體外半徑，單位m。

式（）中，C0為黑體輻射系數(shù)，其值為 （K），Dmw為導(dǎo)體外徑；εe為全組物體的相當(dāng)黑度。導(dǎo)體外表面黑度，表面光滑鋁一般為0.04～0.06，表面涂無光澤漆一般為0.85～0.9。

式（5）中，αkD為對流換熱系數(shù)；Dkw為外殼外徑；θ0為環(huán)境空氣溫度；θk為外殼溫度。

式（6）中，b 為輻射修正系數(shù)，水平敷設(shè)的GIB 中相b=2，邊相b=1；S 為水平敷設(shè)的GIB 相間距，單位是m。

式（7）中，E 為太陽輻射通量，單位為W/m2；A 為外殼外表面吸收率，光滑鋁為0.26，淺色油漆位0.12～0.26，深色油漆為0.97～0.99，F(xiàn) 為外殼水平投射面積，單位為m2/m。

1.2 GIB 的熱計算

GIB 設(shè)計溫度限值：導(dǎo)體，105 ℃；外殼可觸及部位，70 ℃；外殼不可觸及部位，80 ℃。額定電流：2 500 A；試驗(yàn)電流：2 750 A；額定電壓：40.5 kV；GIB 相間距：0.5 m；環(huán)境溫度：40 ℃；導(dǎo)體外表面黑度：0.29；外殼內(nèi)表面黑度：0.29；外殼外表面黑度：0.5；A0=2.76e-2、U0=16.96e-6。

按照以上參數(shù)進(jìn)行計算熱計算，確定了GIB導(dǎo)體和外殼尺寸，包括導(dǎo)體外徑、外殼內(nèi)徑、導(dǎo)體和外殼厚度。

2 GIB 溫升型式試驗(yàn)

2.1 溫升試驗(yàn)要求

主回路的溫升試驗(yàn)應(yīng)該在裝有清潔的新開關(guān)裝置上進(jìn)行，且如果適用的話，在試驗(yàn)前充以用作絕緣的合適液體或處于最低功能壓力（密度）的氣體。試驗(yàn)應(yīng)在戶內(nèi)、大體上無空氣流動的環(huán)境下進(jìn)行，受試開關(guān)裝置本身發(fā)熱引起的氣流除外。進(jìn)行單相試驗(yàn)時，外殼中電流應(yīng)代表最苛刻的條件。對于特備大型的開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，它們的對地絕緣對溫升沒有明顯的影響，對地絕緣可以顯著地降低［2-3］。

接到主回路的臨時連接線，應(yīng)該使試驗(yàn)時與實(shí)際運(yùn)行時的連接相比較，沒有明顯的熱量從開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備散出或向開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備傳入［2-3］。

試驗(yàn)應(yīng)該持續(xù)足夠長的時間以使溫升達(dá)到穩(wěn)定。如果在1 h 內(nèi)溫升不超過1 K，可認(rèn)為達(dá)到這一狀態(tài)。開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備各部分溫升不應(yīng)該超過GB/T 11022-2011 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求中表三的規(guī)定值［2-3］。

2.2 GIB 第一次溫升試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)條件為：

試驗(yàn)電流：2 750 A（武高所規(guī)定試驗(yàn)電流=110%額定電流）

試驗(yàn)相數(shù)：單相

連接排規(guī)格：（3×100）mm×10 mm×3 000 mm銅排；試驗(yàn)設(shè)備：TP9032U 多路溫度記錄儀（測量范圍：-100～400 ℃）；

測試參數(shù)：各測點(diǎn)溫升。

由表1 可以看出第一次溫升試驗(yàn)值溫度均超過技術(shù)要求，溫升試驗(yàn)未通過。

表1 第一次溫升試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of the first experiment K

3 溫升控制

3.1 影響溫升的因素

GIB 外殼尺寸和導(dǎo)體尺寸是影響溫升的因素之一，為了達(dá)到最小體積輸送最大的電流，要求GIB 的尺寸不可能太大，在基于理論計算的前提下，確定了GIB 外殼尺寸和導(dǎo)體尺寸，按照相關(guān)尺寸制造出的GIB 產(chǎn)品進(jìn)行的溫升試驗(yàn)無法通過。故而，影響溫升的核心因素不是GIB 外殼尺寸和導(dǎo)體尺寸，而是其它原因。

導(dǎo)體的電阻率也是影響溫升的因素之一。目前，鋁導(dǎo)體的電阻率基本不能達(dá)到理論值，而且不同廠家生產(chǎn)的鋁導(dǎo)體電阻率也不一樣，不能保證溫升在技術(shù)范圍之內(nèi)［1，4-6］。

同時，裝配環(huán)境（包括溫度，濕度，潔凈度等）對整個GIB 產(chǎn)品的溫升試驗(yàn)也有一定的影響。

根據(jù)式（4）可以發(fā)現(xiàn)，影響溫升的關(guān)鍵因素則在于導(dǎo)體和外殼的表面黑度數(shù)據(jù)選擇（與金屬材料表面處理方式關(guān)系很大）。光滑的鋁合金表面黑度一般不大于0.1，氧化或磨砂處理后為0.2～0.3，表面涂漆［7］后則可達(dá)0.8～0.9。表面黑度的取值對熱平衡計算結(jié)果影響極大，對GIB 外形尺寸和材料的選擇起關(guān)鍵作用。

3.2 降低溫升的方法GIB

結(jié)合 熱計算理論，可知導(dǎo)體的輻射系數(shù)直接影響導(dǎo)體的散熱，綜合考慮影響溫升的因素，我們采取了在母線導(dǎo)體和外殼外表面涂黑色輻射散熱降溫涂料［7-13］，如圖1 所示，增加導(dǎo)體的輻射系數(shù)的方法進(jìn)行溫升控制。涂料厚度為200 μm，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，表面涂漆后導(dǎo)體的黑度可達(dá)0.8～0.9。

3.3 GIB 第二次溫升試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)條件為：

試驗(yàn)電流：2 750 A（110%額定電流）

試驗(yàn)相數(shù)：單相

連接排規(guī)格：（3×100）mm×10 mm×3 000 mm銅排

試驗(yàn)設(shè)備：TP9032U 多路溫度記錄儀（測量范圍：-100～400 ℃）

圖1 涂黑色輻射散熱降溫涂料后的GIB 樣機(jī)Fig.1 GIB prototype coated with black radiation cooling paint

測試參數(shù)：各測點(diǎn)溫升

第二次溫升試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)值溫度均滿足技術(shù)要求（見表2），溫升試驗(yàn)順利通過，并出具了型式試驗(yàn)報告。

表2 第二次溫升試驗(yàn)結(jié)果（摘自武高所試驗(yàn)報告）Tab.2 Results of the second Reat rum test（extracted from test report of Wuhan high pressure test institute） K

通過對第一次試驗(yàn)結(jié)果與第二次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比（見表3），在對GIB 導(dǎo)體和外殼外表面涂黑色輻射散熱降溫涂料，可以顯著降低設(shè)備運(yùn)行時各部位的溫升，有效的控制設(shè)備各測點(diǎn)的溫升處于國家標(biāo)準(zhǔn)值以下。

表3 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Tab.3 The contrast of Reat rum test data K

4 結(jié) 語

對應(yīng)用于高海拔地區(qū)大型光伏發(fā)電工程的GIB 試驗(yàn)中出現(xiàn)的溫升問題進(jìn)行了分析和研究，結(jié)合GIL、GIS 相關(guān)高壓設(shè)備的溫升控制經(jīng)驗(yàn)，采取在母線導(dǎo)體和外殼外表面涂黑色輻射散熱降溫涂料的方法，增加導(dǎo)體的黑度，進(jìn)而提高了整個導(dǎo)體的散熱性能，順利通過了溫升試驗(yàn)。第二次試驗(yàn)結(jié)果表明：在不改變GIB 產(chǎn)品幾何尺寸時，涂黑色輻射散熱降溫涂料，增加導(dǎo)體黑度可以將溫升控制在技術(shù)要求內(nèi)，驗(yàn)證了增加導(dǎo)體黑度進(jìn)而可以控制整個溫升的可行性。該試驗(yàn)只是在試驗(yàn)狀態(tài)下驗(yàn)證了涂黑色輻射散熱降溫涂料可有效控制溫升。考慮到產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時，導(dǎo)體長時間發(fā)熱，下一步需對涂覆在導(dǎo)體表面的涂料是否有脫落的可能及其對整個設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的影響程度進(jìn)行研究。對于溫升控制，在不改變GIB 產(chǎn)品占用小空間的前提下，除了增加導(dǎo)體的輻射系數(shù)以外，還可以從降低導(dǎo)體電阻率、研制新型合金材料等方面進(jìn)行研究，尤其是研制具有較低電阻率、良好散熱性能的新型合金材料更具有發(fā)展前景。