二灘水電站550kV擴建工程GIS母線渦流損耗的論證與探討

儲百生，段緒芳，吳智宇

●（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610051）

二灘水電站550kV擴建工程GIS母線渦流損耗的論證與探討

儲百生，段緒芳，吳智宇

●（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610051）

二灘水電站550 kV擴建工程采用ABB ZF15-550型GIS。分別以鋁材、不銹鋼、鍋爐鋼550 kV/4000 A母線為研究對象，采用有限元分析方法對渦流損耗進行了計算、分析，并通過比選，得出了經濟、實用方案。

GIS；電磁感應；渦流損耗；有限元分析

0 引言

二灘水電站位于金沙江的最大支流——雅礱江下游，距四川省攀枝花46km。電站裝機容量3300MW，是二十世紀我國建成的最大的水電站，保證輸出1000MW，多年平均發電量1.7×1011kWh，年利用5160h，水庫具有季調節能力。1991年9月電站主體工程開工，1998年8月第一臺機組并網發電，1999年全部工程竣工。

本電站電氣主接線為：發-變組采用單元接線，高壓側擴建前接線為2串4/3和2串3/2接線，每串各一回出線，在1串3/2上預留了一回出線位置，經擴建現為4/3 接線。預留GIS出線間隔及其輔助設備為擴建設備，由新東北電氣（沈陽）高壓開關有限公司承造，采用的是 ABB ZF15-550型GIS，額定電壓550kV；額定電流4000A；主母線電流4000A；溫升滿足DL/T 617《氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件》的規定。

本電站550kV擴建GIS母線外殼采用多點接地。由于接地系統阻抗分布的影響及罐體與帶電部分的耦合作用[1]，導致罐體產生感應電流，當母線較長時，就會產生較高的渦流損耗。所以如果系統采取多點接地且母線采用分箱式時，設備選型必須慎重考慮罐體材料的選取。現以二灘水電站550kV擴建工程550kV/4000A母線為研究對象（圖 1），分別設定罐體材料為鋁材、不銹鋼材、鍋爐鋼材。采用有限元分析方法進行渦流計算，并分析電磁感應，解析渦流方程。

圖1 550 kV ELK3型母線

1 解析數學模型

由圖1可知，本文研究對象為軸對稱且電力系統中母線的長度較其橫截面數值大很多，所以忽略接頭等部位的影響，采用平面正弦波分析方法。由有限元法可知，采用正弦波的渦流方程為：

式中，ρ為電阻率，?m；ω為為角頻率，ω=2πf；μr為相對磁導率，無量綱；μ0為真空磁導率，且μ0=4π×10-7H/m；A˙為向量磁位，Wb/m；σ為電導率，?-1m-1；?U為單位長度的電壓降，V[2]。

在1/4模型中（圖2），需要指出的是：考慮到外部漏磁，模型加了無窮遠邊界。假定導體通過電流5000cosωt，無窮遠邊界A˙=0，對于罐體，因系統采用了多點接地，則其感應電壓總和為零。

圖2 計算模型

罐體外殼單位體積中的損耗功率為：

式中：Pe為單位體積中的損耗功率；δ為電流密度；E為電場強度。

計算中涉及到5種材料，其名稱、參數見表1。對于正常交流工況，f =50Hz。

表1 各種材料參數表

2 論證渦流損耗

本文計算的主要目的是為了論證不同的罐體材料對渦流損耗的影響。圖3～圖6給出了罐體材料為鋁材時不同時刻磁通密度分布、電流密度分布、沿導體徑向和罐體徑向的電流分布，不同的罐體材料對場量的影響不同。圖7給出了罐體材料為鍋爐鋼時不同時刻罐體感應電流面密度分布。不同罐體材料導體和罐體上流過的電流、感應電流、電壓及渦流損耗見表2。

圖3 不同時刻磁通密度矢量圖（罐體材料為鋁材）

圖4 不同時刻電流密度等值線圖（罐體材料為鋁材）

圖5 不同時刻導體電流面密度分布（罐體材料為鋁材）

圖6 不同時刻罐體感應電流面 密度分布（罐體材料為鋁材）

圖7 不同時刻罐體感應電流面 密度分布（罐體材料為鍋爐鋼）

表2 不同罐體材料導體和罐體上的源電流、感應電流、電壓及渦流損耗

3 論證分析結果

由圖3、圖4可知，場圖的分布與實際預期的非常一致，所以計算程序及計算結果具有較高的可信度。從表2不同罐體材料對應的電阻損耗可以看出，當罐體材料為鍋爐鋼時的電阻損耗較罐體材料為鋁材和不銹鋼材時大很多。以二灘水電站工程為例，一、二期工程共使用母線達300m，以一個月30天計，當罐體材料為鍋爐鋼時，其電阻損耗為275768kW·h，該損耗針對當前節能降耗的主題，是一個非常可觀的數字。

4 結束語

通過對比不同材料罐體的電阻損耗，可得出：罐體采用鋁材和不銹鋼時損耗較小，經濟性較好。但因不銹鋼材比鋁材密度大，從起吊運輸角度考慮，采用鋁材非常經濟。除需考慮罐體強度外，選用鋁材為經濟、實用方案。

[1]儲百森. 異步電動機節能方法初探[J]. 電工技術雜志, 2001(6): 57-58.

[2]談克雄. 高壓靜電場數值計算[M]. 北京: 水利電力出版社, 1991.

[3]徐國政, 張節容, 錢家驪, 等. 高壓斷路器原理和應用[M]. 北京: 清大學出版社, 2000.、

Study on Backset Wastage of 550kV GIS Busbars in Enlarging Enginnering at Ertan Hydropower Station

CHU Bai-sheng, DUAN Xu-fang, WU Zhi-yu
(Yalong River Hydropower Development Company, Ltd., Sichuan Chengdu 610051, China)

550kV ZF15-550 GIS is used at enlarging enginnering of ertan hydropower station. Taking 550 kV/4000 A busbars of aluminium, stainless steel and boiler steel as research subjects separately, the backset wastage is calculated and analyzed with finite element analysis method. Through comparing, the economic and practical project is obtained.

GIS; electromagnetic induction; backset wastage; finite element analysis

TM645

A

儲百生（1973-），男，高級工程師。主要從事機電設備及物資管理工作。