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1、第34卷第1期高电压技术Vol.34No.12008年1月HighVoltageEngineeringJan.2008#201#大电流封闭母线温升计算12鄢来君,张颖(1.国网武汉高压研究院,武汉430074;2.上海电器科学研究所(集团)有限公司,上海200063)摘要:为了在设计阶段评估大电流封闭母线通过大电流时的温升,推演出了大电流封闭母线沿径向的电流密度分布及单位长度阻抗的计算式,然后分析热量传递过程,给出温升具体的计算方法,结合已完成的大电流封闭母线设计事例作出了具体计算和温升评估,最后根据
2、计算结果,提出了可能的降低温升的措施。通过计算、分析,可预测大电流封闭母线可能出现的缺陷,为设计及采取相应措施提供理论支持。关键词:封闭母线;集肤效应;电流密度;温升;热平衡;自然对流换热中图分类号:TM645.11文献标志码:B文章编号:1003-6520(2008)01-0201-030引言随着国民经济的飞速发展,我国电力系统中大量使用高质量的高压电器,其中大电流封闭母线是关键技术之一。大电流封闭母线具有结构紧凑、安装方便、互换性好、使用安全、寿命长等一系列优点,被广泛地应用在供配电系统中。但当采
3、用自然风冷时,由于密封性能优良、体积小,母线产生的热量难以散发出去,其散热性能差的特点就会很突出,这样很容易造成内部母线温升值超标。对设计人员来图1大电流封闭母线说,需要了解大电流封闭母线内电流密度分布及管其中P=jXLR,I0(Pr)为变样的第一类零阶贝塞道内部温升值,从而为设计提供理论依据。对大电尔函数。从数学手册可查到:流封闭母线进行温升计算分两部分,一部分是电的]2k(z/2)方面,由于集肤效应,大电流封闭母线内母线沿径向I0(z)=E2。k=0(k!)的电流密度分布是不均匀的,这也造成其交流
4、阻抗对空心导体而言,导体内的电流为:b大大增加,因此首先应计算母线电流密度和交流阻2Pb-j45bI1(Pb)-I1(Pa)抗;另一部分是热的方面,分析热量传递过程,然后Iz=QJz2Prdr=J0e,(4)PI0(Pb)a计算热量传递造成的母线内各部分的温升。j45bIeXLRI0(Pb)所以J0=,(5)2Pb(I1(Pb)-I1(Pa))1母线电流密度及交流阻抗其中I1(Pa)和I1(Pb)为变样的第一类一阶贝塞尔大电流封闭母线示意图如图1,51、52分别为函数:外壳内径、母线外径,h1、h2分
5、别为外壳、母线壁厚。]2k+1(z/2)由于集肤效应,空心导管电流密度分布不是均匀的。I1(z)=Ek!(k+1)!。k=0现在采用圆柱坐标来研究空心导管沿径向的电流密内阻抗为[1]:度分布。1PI0(Pb)Zi=R+jX=。(6)设空心导管位于坐标中心,内半径为a,外半径R2PbI1(Pb)-I1(Pa)为b,导管内的电流与z轴平行。这时电流密度Jz设计母线(空心导管)通过频率f=50Hz的电将仅为时间t和坐标r的函数。由于5/5z=5/5H=流8000A,采用材料为铝,52=250mm,h2=20
6、[1]0,于是涡流方程为:mm,各参数见表1。用式(3)计算可得图2中的电2225Jz/5r+5Jz/5r=LR5Jz/5t。(1)流密度分布曲线,其中直线为平均电流密度标线。2设Jz=Jz(r)cos(Xt+U),则(1)式可改写为:表1空心导管的电流密度A/mm2225Jz/5r+5Jz/5r-jXLRJz=0,(2)a@bJaJb平均电流密度[1]解上式,可推导出沿径向的电流密度分布:105mm@125mm0.091.660.55J(r)=J0I0(Pr)/I0(Pb),(3)用式(6)计算内阻
7、抗可得,1m长度的内阻抗#202#Jan.2008HighVoltageEngineeringVol.34No.1均值,tm=40bC,定性尺寸L=d=51+2h1=01664m为外壳外径,此时查表可得空气的物性值为:普-2朗特数Pr=01699,材料的热导率K=2176@10-62W/(m#K),流体的运动黏度T=16196@10ms。由于定性温度未知,无法计算格拉晓夫数Gr,也就无法确定是自然对流还是紊流流动换热。先设59[2]为层流自然对流,即GrPr=10~10,则有:1/432Nu=hd/K
8、=0153(GrPr),Gr=gB(tw-tf)d/T,图2空心导管电流密度分布曲线2其中Nu为努塞尔数;h为表面传热系数,W/(m#为:31514L8。从计算结果可知,导管外壁电流密度2K);g为重力加速度,m/s;B为体积膨胀系数,对理22Jb=1166A/mmmJa(0109A/mm),但仍在容许想气体,一般取绝对温度的倒数,即B=1/T。范围内。而1m长长度内阻抗则m11169L8(直流热稳定时,铝母线产生的热量与管道外壁散发阻抗值),可见由于集
