常州博瑞电力公司研究者发表管母支撑金具温升特性的分析成果

摘要：为解决大电流管母支撑金具温升过高的问题，依托某换流站融冰工程，采用电磁-热力学耦合仿真与试验相结合的方法，研究管母支撑金具的损耗及温升特性，分析金具结构及材料属性与温升之间的数值关系。常州博瑞电力自动化设备有限公司的赵佳康、郑毅、张科乾在2024年第11期《电

为解决大电流管母支撑金具温升过高的问题，依托某换流站融冰工程，采用电磁-热力学耦合仿真与试验相结合的方法，研究管母支撑金具的损耗及温升特性，分析金具结构及材料属性与温升之间的数值关系。常州博瑞电力自动化设备有限公司的赵佳康、郑毅、张科乾在2024年第11期《电气技术》上撰文，研究结果表明，金具导磁性较好且距离导体较近时，采用开槽处理并不能彻底解决局部温升过高的问题；采用磁导率较低且电导率较高的材料，可有效抑制涡流损耗，避免局部温升过高。现场试验结果与仿真计算结果基本吻合，验证了仿真模型的合理性及准确性。

融冰装置需提供较大的电流以迅速加热覆冰线路，通常采用管形母线作为载流导体。管形母线是空芯导体，趋肤效应系数小，载流量大且有利于提高电晕起始电压，被广泛应用于高电压大电流工况中。管母载流量较大时，其支撑金具中的涡流损耗不容忽视，较大的涡流损耗将引起金具发热，造成能量损失，且长期发热会影响金具中绝缘件的性能，可能引发绝缘失效，严重威胁设备的安全运行。

因此，管母支撑金具的选型及合理设计对维持载流回路的稳定及系统的可靠运行具有极为重要的作用。对管母支撑金具的损耗及温升进行研究，有利于合理选择金具的材料、结构及布置方式，有效减少线路损耗，提高载流回路的运行水平。

国内外关于穿墙套管、导体触头等的涡流损耗问题研究较多，多集中于导体长度、厚度、开槽数量、加装永磁体等对损耗的影响，部分研究指出，采用低磁导率的材料会造成导电部分磁场分布发散。现有的研究成果并非适用于所有的工程实际，且现有研究鲜有涉及大电流管母支撑金具的损耗及温升，目前工程中对管母支撑金具的选型缺乏相关参考及规范。

针对某换流站融冰工程升流过程中管母支撑金具温升过高的问题，本文采用电磁-热力学耦合仿真的方法，根据管母及支撑金具的实际布置方式搭建模型，计算管母支撑金具的损耗及温升，并依据仿真数据分析金具结构及材料属性对损耗的影响。参考仿真结果对原金具材料属性及结构进行优化调整，并重新进行试验，以验证仿真结果的准确性，并为大电流管母支撑金具的设计及选型提供参考。

1 计算模型及理论分析

1.1 涡流损耗基本原理

式（1）-（3）

1.2 热力学分析

式（4）-（6）

本文采用有限元计算方法，首先通过涡流场进行管母支撑金具损耗的求解，然后将其作为温度场计算的输入，考虑自然对流及辐射散热对金具温升进行求解。

2 金具温升试验

某换流站固定融冰装置在升流试验过程中，电流升至约4500A时，运行1h，现场红外测温装置检测到管母支撑金具温度高达111～125℃，阀厅温度约为19℃，金具温升达92～106K，已远超出相关标准规定。现场试验温升测试结果如图1所示。

图1 现场试验温升测试结果

U形支撑金具与绝缘子法兰上部的矩形板之间已加装绝缘垫块，且安装螺栓与金具之间也做了绝缘处理，根据测温结果可知U形支撑金具及绝缘子法兰温升依然较高，若长期运行将产生大量的能量损耗，且会影响绝缘子的绝缘性能。

3 仿真与试验对比

受试验条件、现场投运时间及成本限制，对改进后的金具样机进行试验不易实现。管母支撑金具温升是由处于电磁场中产生的涡流损耗所引起，下面通过仿真研究影响温升的主要因素，并依据仿真结果进行优化设计。首先通过电磁场计算得到管母支撑金具的涡流损耗，然后将其作为温度场计算的热源输入，最终得到金具的温升分布。

3.1 计算模型

以某融冰工程实际应用的管母支撑金具作为参考，实物模型如图2所示，管母支撑金具中支撑板为U形，与绝缘子法兰上的矩形板之间通过绝缘垫块及绝缘螺栓连接。

图2 实物模型

考虑仿真计算的可行性及计算效率，仿真模型中忽略螺栓、绝缘件伞裙等对损耗影响不大的部件和结构特征，简化后的仿真模型如图3所示，其中支撑金具框架大小为385mm×370mm×170mm（长×宽×高），框架厚度10mm。管母外径170mm，管母中心距离框架187mm。

图3 仿真模型

仿真模型中管母及其连接金具的材质为铝合金，支撑金具及绝缘子法兰的材质为Q235，绝缘子本体为硅橡胶材质。仿真模型中各材料参数见表1。

3.2 边界条件

将建立好的三维模型导入有限元分析软件，选取涡流场求解支撑金具中的涡流损耗，将其作为温度场计算的热源载荷。考虑空气自然对流散热方式，将计算域设为开放域，空气对流换热系数为5～25W/(m2·K)，并计及辐射散热的影响，进行管母支撑金具温度分布计算。

表1 仿真模型材料参数

根据管母及金具的实际运行工况及安装环境，计算域内的具体边界条件如下：

1）涡流场计算。各元件材料属性按照实物属性进行设置，并设置导体的涡流效应及趋肤效应，电流按照工程实际运行情况施加。

2）温度场计算。计算模型采用自然对流模型；根据模型的布置设置重力加速度方向；采用离散坐标（discrete ordinates, DO）辐射模型，流态形式为湍流，初始环境温度按照现场运行环境温度设置；根据实物安装方式设置合理的重力加速度。

3.3 计算结果

仿真根据试验数据添加激励，交流侧管母最大通流容量为4500A，现场环境温度为19℃。按照以上边界条件及输入变量计算，支撑金具涡流损耗分布如图4所示，温度分布如图5所示。

图4 管母支撑金具涡流损耗分布

图5 管母支撑金具温度分布

管母支撑金具采用Q235材质，进行切缝处理，缝隙宽度为10mm，缝隙内采用绝缘垫块支撑。根据计算结果可知，缝隙周围损耗较小，温度较低，但支撑顶部及与之相连接的绝缘子法兰损耗较大，局部温度高达120℃，与试验结果基本一致。

考虑支撑金具强度，缝隙宽度不宜过大，增加缝隙宽度分别至15mm、20mm，温度计算结果分别如图6和图7所示。

图6 管母支撑金具温度分布（15mm缝隙）

图7 管母支撑金具温度分布（20mm缝隙）

根据以上计算结果可知，支撑金具绝缘间隙为15mm时，最高温度约为108℃，绝缘间隙为20mm时，最高温度约为102.4℃，与原模型最高温度120℃相比，温升有所下降，但远达不到温升限制要求（即金具表面温度不超过65℃）。因此，增大金具的绝缘间隙并不能将温升控制到合理范围内，且绝缘间隙增大时，支撑强度降低，不利于结构的稳定。

4 涡流损耗影响因素分析及优化措施

除绝缘间隙厚度外，金具本体的厚度对损耗也有一定影响，当金具本体厚度增大到10mm时，对损耗的影响基本趋于稳定。此外，金具增加绝缘间隙及结构优化不易实现，且由于室内安装空间的限制，支撑与管母的距离难以调整。本文通过分析电导率及磁导率对损耗的影响规律，综合考虑成本因素，采用导磁性及导电性最优组合的材质作为支撑金具，将温升限制到合理范围内。

4.1 损耗影响因素分析

图8 电导率对损耗的影响规律

在电导率（采用Q235材质的电导率）保持不变的条件下，相对磁导率分别取1、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000计算管母支撑金具的损耗。相对磁导率对损耗的影响规律如图9所示。

图9 相对磁导率对损耗的影响规律

根据以上计算结果可知，损耗与电导率及相对磁导率并非近似线性关系。在相对磁导率保持不变的条件下，电导率小于5×106S/m时，随着电导率的增大，损耗增大；当电导率超过5×106S/m时，随着电导率的增大，损耗减小。电导率保持不变，相对磁导率小于400时，随着相对磁导率的增大，损耗增大；当相对磁导率超过400时，随着相对磁导率的增大，损耗减小。

综合上述计算结果，当管母支撑金具的电导率小于3×106S/m或大于1×107S/m，且相对磁导率小于100时，损耗相对较小，同时考虑支撑金具的机械强度，选用不锈钢材质，可降低其涡流损耗，从而降低温升。

4.2 优化模型计算

计算条件保持不变，将管母支撑金具及绝缘子法兰改为不锈钢材质后，温度分布如图10所示。