二滩水电站550kV扩建工程GIS母线涡流损耗的论证与探讨

储百生，段绪芳，吴智宇

●（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610051）

二滩水电站550kV扩建工程GIS母线涡流损耗的论证与探讨

储百生，段绪芳，吴智宇

●（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610051）

二滩水电站550 kV扩建工程采用ABB ZF15-550型GIS。分别以铝材、不锈钢、锅炉钢550 kV/4000 A母线为研究对象，采用有限元分析方法对涡流损耗进行了计算、分析，并通过比选，得出了经济、实用方案。

GIS；电磁感应；涡流损耗；有限元分析

0 引言

二滩水电站位于金沙江的最大支流——雅砻江下游，距四川省攀枝花46km。电站装机容量3300MW，是二十世纪我国建成的最大的水电站，保证输出1000MW，多年平均发电量1.7×1011kWh，年利用5160h，水库具有季调节能力。1991年9月电站主体工程开工，1998年8月第一台机组并网发电，1999年全部工程竣工。

本电站电气主接线为：发-变组采用单元接线，高压侧扩建前接线为2串4/3和2串3/2接线，每串各一回出线，在1串3/2上预留了一回出线位置，经扩建现为4/3 接线。预留GIS出线间隔及其辅助设备为扩建设备，由新东北电气（沈阳）高压开关有限公司承造，采用的是 ABB ZF15-550型GIS，额定电压550kV；额定电流4000A；主母线电流4000A；温升满足DL/T 617《气体绝缘金属封闭开关设备技术条件》的规定。

本电站550kV扩建GIS母线外壳采用多点接地。由于接地系统阻抗分布的影响及罐体与带电部分的耦合作用[1]，导致罐体产生感应电流，当母线较长时，就会产生较高的涡流损耗。所以如果系统采取多点接地且母线采用分箱式时，设备选型必须慎重考虑罐体材料的选取。现以二滩水电站550kV扩建工程550kV/4000A母线为研究对象（图 1），分别设定罐体材料为铝材、不锈钢材、锅炉钢材。采用有限元分析方法进行涡流计算，并分析电磁感应，解析涡流方程。

图1 550 kV ELK3型母线

1 解析数学模型

由图1可知，本文研究对象为轴对称且电力系统中母线的长度较其横截面数值大很多，所以忽略接头等部位的影响，采用平面正弦波分析方法。由有限元法可知，采用正弦波的涡流方程为：

式中，ρ为电阻率，Ωm；ω为为角频率，ω=2πf；μr为相对磁导率，无量纲；μ0为真空磁导率，且μ0=4π×10-7H/m；A˙为向量磁位，Wb/m；σ为电导率，Ω-1m-1；∇U为单位长度的电压降，V[2]。

在1/4模型中（图2），需要指出的是：考虑到外部漏磁，模型加了无穷远边界。假定导体通过电流5000cosωt，无穷远边界A˙=0，对于罐体，因系统采用了多点接地，则其感应电压总和为零。

图2 计算模型

罐体外壳单位体积中的损耗功率为：

式中：Pe为单位体积中的损耗功率；δ为电流密度；E为电场强度。

计算中涉及到5种材料，其名称、参数见表1。对于正常交流工况，f =50Hz。

表1 各种材料参数表

2 论证涡流损耗

本文计算的主要目的是为了论证不同的罐体材料对涡流损耗的影响。图3～图6给出了罐体材料为铝材时不同时刻磁通密度分布、电流密度分布、沿导体径向和罐体径向的电流分布，不同的罐体材料对场量的影响不同。图7给出了罐体材料为锅炉钢时不同时刻罐体感应电流面密度分布。不同罐体材料导体和罐体上流过的电流、感应电流、电压及涡流损耗见表2。

图3 不同时刻磁通密度矢量图（罐体材料为铝材）

图4 不同时刻电流密度等值线图（罐体材料为铝材）

图5 不同时刻导体电流面密度分布（罐体材料为铝材）

图6 不同时刻罐体感应电流面 密度分布（罐体材料为铝材）

图7 不同时刻罐体感应电流面 密度分布（罐体材料为锅炉钢）

表2 不同罐体材料导体和罐体上的源电流、感应电流、电压及涡流损耗

3 论证分析结果

由图3、图4可知，场图的分布与实际预期的非常一致，所以计算程序及计算结果具有较高的可信度。从表2不同罐体材料对应的电阻损耗可以看出，当罐体材料为锅炉钢时的电阻损耗较罐体材料为铝材和不锈钢材时大很多。以二滩水电站工程为例，一、二期工程共使用母线达300m，以一个月30天计，当罐体材料为锅炉钢时，其电阻损耗为275768kW·h，该损耗针对当前节能降耗的主题，是一个非常可观的数字。

4 结束语

通过对比不同材料罐体的电阻损耗，可得出：罐体采用铝材和不锈钢时损耗较小，经济性较好。但因不锈钢材比铝材密度大，从起吊运输角度考虑，采用铝材非常经济。除需考虑罐体强度外，选用铝材为经济、实用方案。

[1]储百森. 异步电动机节能方法初探[J]. 电工技术杂志, 2001(6): 57-58.

[2]谈克雄. 高压静电场数值计算[M]. 北京: 水利电力出版社, 1991.

[3]徐国政, 张节容, 钱家骊, 等. 高压断路器原理和应用[M]. 北京: 清大学出版社, 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

储百生（1973-），男，高级工程师。主要从事机电设备及物资管理工作。