CN113177182B - 隧道中gil载流量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道中GIL载流量计算方法。它包括如下步骤，步骤一：计算最高工作温度下导体的交流电阻及外壳损耗因数；步骤二：计算绝缘气体等效热阻；步骤三：计算周围环境热阻；步骤四：通过GIL载流量的计算式算GIL载流量。本发明克服了现有隧道中GIL载流量的计算多采用温度场仿真的方式，计算过程复杂、繁琐，缺乏数值计算方法的缺点；具有可快捷地计算出GIL载流量，实用性强、结果准确的优点。

Description

隧道中GIL载流量计算方法
技术领域
本发明涉及电力系统输电技术领域，更加具体地是隧道中GIL载流量计算方法。
背景技术
随着我国经济飞速发展，城镇化建设规模越来越大，架空线与城市规划、土地资源之间的矛盾越来越突出，架空线入地的市场越来越大，也越来越引起重视。
气体绝缘金属封闭输电线路(Gas-insulated Metal-enclosed TransmissionLine,GIL)以其输送容量大、运行可靠性高、占用走廊窄、不受外界恶劣气象条件影响、全寿命周期成本低等优点，在城市电网中具有广泛的应用前景。
城市电网中的GIL一般敷设在隧道中，与户外使用时工作环境有明显区别。户外使用时，GIL周围大气温度可以认为时恒定的，散热方式单一；而在隧道中使用时，GIL周围的环境温度受GIL运行情况影响较大，这又反过来制约了GIL的载流量，GIL散热方式复杂。目前隧道中GIL载流量的计算多采用温度场仿真的方式，计算过程复杂、繁琐，缺乏数值计算方法。
因此，开发一种结合GIL的散热特性的隧道中GIL载流量计算方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种隧道中GIL载流量计算方法，结合GIL的散热特性计算隧道中GIL载流量，可快捷地计算出GIL载流量，实用性强、结果准确，具有广阔应用前景。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：隧道中GIL载流量计算方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：计算最高工作温度下导体的交流电阻及外壳损耗因数；
步骤二：计算绝缘气体等效热阻；
步骤三：计算周围环境热阻；
步骤四：通过下式(1)中计算GIL载流量I：
Figure BDA0003047611510000021
式(1)中：θm为GIL导体最高允许温度，℃；θa为地面温度，℃；Δθ0为环境温度较地面温度升高值，℃；Rc为导体在最高工作温度下单位长度的交流电阻，Ω/m；T1为绝缘气体的等效热阻，K·m/W；n为每相导体根数；λ为外壳损耗因数；T4为周围环境热阻，K·m/W。
在上述技术方案中，绝缘气体的等效热阻是绝缘气体对流热阻和绝缘气体等效辐射热阻并联的结果，绝缘气体的等效热阻的定义如下式(2)所示：
Figure BDA0003047611510000022
式(2)中：Wr为绝缘气体辐射传热热量，W/m；Wc为绝缘气体对流传热热量，W/m；θc为导体温度(θc为根据标准查阅的值)，℃；θe为外壳温度，℃；这几个变量(指Wr、Wc、θe)均可以根据工程边界条件，利用热传导原理推导计算得到；T1为绝缘气体的等效热阻，K·m/W。
在上述技术方案中，计算周围环境热阻时考虑GIL、隧道内空气和隧道壁的能量平衡，周围环境热阻由四部分组成：：①从GIL表面到隧道壁的辐射传热(即为T23)，②从GIL表面到隧道内空气的对流传热(即为T12)，③从隧道内空气到隧道壁的对流传热(即为T13)，④隧道周围土壤辐射传导的热量(即为T4)；①～③计算出来后经过星三角形-星形变换(为现有技术)后，再与④串联，计算出GIL周围环境热阻，具体公式如下：
Figure BDA0003047611510000031
Figure BDA0003047611510000032
式(3)、式(4)中，N为隧道内GIL根数，T23为从GIL表面到隧道壁的辐射传热，K·W/m；T12为从GIL表面到隧道内空气的对流传热，K·W/m；T13为从隧道内空气到隧道壁的对流传热，K·W/m；T2、T3、T5为计算中间变量，K·W/m；T6为隧道周围土壤辐射传导的热量，K·W/m；L为通风区间长度，m；C为单位体积空气的比热，J/(m3·K)；这几个变量(指T23、T12、T13、T6)均可以根据工程边界条件，利用热传导原理推导计算得到；T4为周围环境热阻，K·m/W。
在上述技术方案中，环境温度较地面温度升高值，采用以下公式计算：
Figure BDA0003047611510000033
式(5)中，θ为隧道入口处空气温度，℃；θa为地面温度，℃；L为通风区间长度，m；C为单位体积空气的比热，J/(m3·K)；Δθ0为环境温度较地面温度升高值，℃；T3、T5为计算中间变量，K·W/m；T6为隧道周围土壤辐射传导的热量，K·W/m。
本发明具有如下优点：本发明基于隧道中GIL的散热模型提出了GIL载流量计算方法，可快捷地计算出GIL载流量，在产品研发及工程设计领域应用前景广阔，实用性强、结果准确，可促进GIL的应用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
现以本发明应用于某隧道中GIL载流量的计算为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它隧道中GIL载流量的计算同样具有指导作用。
本实施例中，某隧道中的GIL为额定电流为4kA的500kV单回路离相式GIL；GIL导体最高允许温度为105℃，排风温度不高于40℃。隧道宽内3.4m、高3.7m，通风长度350m，进风温度32℃，土壤热阻1.0K·m/W。GIL外壳内径0.496m，外径0.508m，导体内径0.165m，外径0.178m，设计压力0.48Mpa。
本实施例中的GIL载流量的计算方法，包括如下步骤：
步骤一，计算最高工作温度下导体单位长度交流电阻和外壳工作温度下交流电阻；其中，外壳工作温度下的交流电阻用来计算损耗和发热，即热源；最高工作温度下导体单位长度交流电阻及外壳工作温度下交流电阻的计算方法均为现有技术；
步骤二，计算外壳损耗因数；
步骤三，分别计算导体与外壳之间绝缘气体的辐射传热热量和对流传热热量，进而得到等效辐射热阻和等效对流热阻，并联之后得到绝缘气体的等效热阻；
步骤四，分别计算从GIL表面到隧道壁的辐射传热、从GIL表面到隧道内空气的对流传热、从隧道内空气到隧道壁的对流传热及隧道周围土壤辐射传导的热量，最后得到周围环境热阻；
步骤五，计算通风情况下环境温度较地面温度升高值；
步骤六，计算隧道中GIL载流量。
步骤一中，计算最高工作温度下导体单位长度交流电阻和外壳工作温度下交流电阻时，需要查阅导体及外壳材料20℃时的单位长度的直流电阻及电阻率温度系数；外壳的工作温度通常不超过80℃；此外，还需要对导体及外壳集肤效应和邻近效应系数进行计算；外壳电阻的工作温度在计算之前是未知的，计算时必须先假定外壳的温度值，并进行迭代计算，最终实现绝缘气体热阻和外壳温度的计算收敛；本实施例计算得到导体和外壳单位长度交流电阻分别为1.15Ω/m和4.44Ω/m。
步骤二中，外壳损耗因数首先需要计算外壳的电抗，水平排列的三相GIL中边相GIL外壳与其他两相GIL导体之间的互抗，一般取中间相的外壳损耗因数；本实施例计算得到，外壳损耗因数取值为0.385；外壳损耗因数的计算方法为现有技术；
步骤三中，绝缘气体的等效热阻取决于导体和外壳的温度，其中，导体温度为105℃，而外壳温度在计算之前是未知的，计算时必须先假定外壳的温度值，并进行迭代计算，最终实现绝缘气体热阻和外壳温度的计算收敛；本实施例计算得到绝缘气体的等效热阻为0.129K·m/W。
步骤四中，分别计算从GIL表面到隧道壁的辐射传热、从GIL表面到隧道内空气的对流传热、从隧道内空气到隧道壁的对流传热，这三个量算出来之后经过三角形-星形变换后，再与计算得到的隧道周围土壤辐射传导的热量串联，得到GIL周围环境热阻；由于隧道出口处的温度未知，需要进行迭代计算，迭代计算时，将GIL表面温度、隧道壁温和隧道出口空气温度的估计值作为输入，重复计算，直到收敛；本实施例计算得到GIL周围环境热阻为0.099K·m/W。
步骤四计算完成后，本实施例步骤五可利用其结果得到GIL环境温度较地面温度升高值，为3.83℃。
步骤六中，本实施例根据上述中间计算结果，利用载流量计算公式，计算得到GIL载流量为4880.88A，计算得到的GIL载流量略大于其额定值、且与厂家提供的试验值接近，表明本实施例中GIL载流量的计算结果准确。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的隧道中GIL载流量计算方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
Figure BDA0003047611510000061
由上表可知，本发明所述的隧道中GIL载流量计算方法与现有技术相比，准确率高，计算过程简单、快速。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (2)

1.隧道中GIL载流量计算方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：计算最高工作温度下导体的交流电阻及外壳损耗因数；
步骤二：计算绝缘气体等效热阻；
绝缘气体的等效热阻是绝缘气体对流热阻和绝缘气体等效辐射热阻并联的结果，绝缘气体的等效热阻的定义如下式(2)所示：
Figure FDA0004190954480000011
式(2)中：Wr为绝缘气体辐射传热热量，W/m；Wc为绝缘气体对流传热热量，W/m；θc为导体温度，℃；θe为外壳温度，℃；T1为绝缘气体的等效热阻，K·m/W；
步骤三：计算周围环境热阻；
计算周围环境热阻时考虑GIL、隧道内空气和隧道壁的能量平衡，周围环境热阻由四部分组成：①从GIL表面到隧道壁的辐射传热，②从GIL表面到隧道内空气的对流传热，③从隧道内空气到隧道壁的对流传热，④隧道周围土壤辐射传导的热量；①～③计算出来后经过星三角形-星形变换后，再与④串联，计算出GIL周围环境热阻，具体公式如下：
Figure FDA0004190954480000012
Figure FDA0004190954480000013
式(3)、式(4)中，N为隧道内GIL根数，T23为从GIL表面到隧道壁的辐射传热，K·W/m；T12为从GIL表面到隧道内空气的对流传热，K·W/m；T13为从隧道内空气到隧道壁的对流传热，K·W/m；T2、T3、T5为计算中间变量，K·W/m；T6为隧道周围土壤辐射传导的热量，K·W/m；L为通风区间长度，m；C为单位体积空气的比热，J/(m3·K)；T4为周围环境热阻，K·m/W；
步骤四：通过下式(1)中计算GIL载流量I：
Figure FDA0004190954480000021
式(1)中：θm为GIL导体最高允许温度，℃；θa为地面温度，℃；Δθ0为环境温度较地面温度升高值，℃；Rc为导体在最高工作温度下单位长度的交流电阻，Ω/m；T1为绝缘气体的等效热阻，K·m/W；n为每相导体根数；λ为外壳损耗因数；T4为周围环境热阻，K·m/W。
2.根据权利要求1所述的隧道中GIL载流量计算方法，其特征在于：环境温度较地面温度升高值，采用以下公式计算：
Figure FDA0004190954480000022
式(5)中，θ为隧道入口处空气温度，℃；θa为地面温度，℃；L为通风区间长度，m；C为单位体积空气的比热，J/(m3·K)；Δθ0为环境温度较地面温度升高值，℃；T3、T5为计算中间变量，K·W/m；T6为隧道周围土壤辐射传导的热量，K·W/m。
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