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新型节能材料铜包铝管母线的温升分析与实验

文章出处:www.xsh18.com 人气:发表时间:2018-05-06 15:31

铜包铝管母线是铝管外包覆薄铜管的新型节能输电母线,两种导体共同分担承载的电流,同时内部较厚的铝管起到机械支撑的作用。

在相同频率和幅值的交流电流情况下,铜管的集肤效应深度大于铝管。这种复合结构能有效增加母线交流载流能力,减小母线重量和阻抗以及过流面积,降低母线损耗和温升,提高能效。

本文采用数值计算和有限元仿真方法,得到了铜包铝管母线的温升和分布情况,并进行了实验,计算结果与实验数据相符。最后通过对比常规铜排母线和铜包铝管母线的实验结果,显示出铜包铝管母线在节材和节能方面的优异效果。

母线是电力系统中极为重要的组成部件,输变配电的枢纽,其工作的可靠性将直接影响到电力系统的安全可靠性[1-3]。目前国内外在变电所高压配电装置、发电机出口以及变压器进出线上大都采用常规铜排母线。

当铜排母线流过交流电时,因集肤效应使导体的电阻增加、损耗上升。此外,常规铜排母线选型过程中,需考虑集肤效应的影响,为保证其有效载流面积,需加大母线规格,造成铜材浪费严重,提高了输电母线的成本投入,不符合节能减排的政策要求[4]。

随着我国电力领域的新发展和国家智能电网的建设需求,电力行业对电网节能降耗的需求极为迫切,节能、节材、本质安全成为母线产品发展的必然趋势[5-8]。常用的母线导体材料有铜和铝及其合金,在做导体时各有特点:铝比铜有较好的延展性和韧性,但是铝表面易氧化;铜的电阻率较低,导电性较好,表面抗氧化性能强,而且氧化后仍具有导电性,不影响供电安全。

经分析,若外层用铜、内芯用铝制成铜包铝管母线,既保持了铜母线表面抗氧化能力强的特点,又充分利用了铝重量轻、价格低的优点,且由于集肤效应的作用,其导电性能比铝高得多,比铜略低,是替代铜母线的最佳复合导电材料[9]。

铜包铝复合材料是利用复合技术使铜层和铝层在界面上实现紧密机械结合的一种新型导电材料,不仅具有铜的电导率和热导率高、接触电阻低等优点,还具有铝的密度低、价格低廉等优点。常规的铜包铝复合材料主要包括铜包铝复合线材、铜包铝扁排、铜铝复合板等[10],可代替纯铜用于高频电力传输、电磁屏蔽、电力系统输变电等场合[11,12]。

铜包铝管母线是不同于常规铜包铝复合材料的新型输电母线,跟常规铜包铝复合材料一样都是利用铜和铝导体作为基准导电材料,通过特定的加工工艺实现铜铝接触面的紧密结合,是铜和铝都具有一定厚度的管型母线。作为一种新型的输电母线,铜包铝管母线可以成为常规母线的升级替代品[13,14]。

1铜包铝管母线温升计算

在铜包铝管母线的传热过程涉及到三种常规的方式:传导、对流以及辐射[15,16]。传导是热量铜和铝传递给绝缘层。绝缘层外的空气对流和向环境的辐射。

1.1铜包铝管母线的温度场分析计算(略)

图1 铜包铝管母线的热量传递示意图
新型节能铜包铝管母线的温升分析与实验

图2   三相母线稳态温度场分布图
新型节能铜包铝管母线的温升分析与实验

1.2铜包铝管母线的温度场有限元仿真(略)

2铜包铝管母线和常规母线的温升实验(略)

本文主要对铜包铝管母线和常规铜排母线进行对比实验。在加载相同工频电流的情况下,测试两种母线的损耗和温升,从而计算出铜包铝管母线的节能率和温升降低率。

通过实验结果可以得出以下结论:

1)节能率。通过实验对比,4000A额定电流的铜包铝管母线比常规母线节能64.2%。

2)温升降低率。通过实验发现4000A额定电流的绝缘铜包铝管母线温升在标准允许温升限定值之内,而且比常规母线温升降低57.6%。同时,铜包铝管母线的温升随着电流增加而小幅上升,在相同温升的情况下,铜包铝管母线也能够承载更大的电流。

3)节铜率。铜包铝管母线因利用复合技术使铜层和铝层在界面上实现紧密机械结合,因此其重量大大减小,节铜率可达69.2%。

3结论

从铜包铝管母线的温度场数值计算结果和实验结果可知,铜包铝管母线具有以下优势:

1)节能效果显著

铜包铝管母线的复合材料管型设计充分考虑了交流电在导体中产生的集肤效应,电流呈环形分布在母线截面上,增大了有效载流截面积,降低了母线交流电阻,使交流损耗也随之减小。

经实验测算,载流量为4000A的常规铜排母线的电能损耗为0.857kWh/m,而相同载流量的铜包铝管母线的电能损耗为0.307kWh/m。由此推算,铜包铝母线的年节能率为铜排母线的64.2%。因此,绝缘铜包铝管母线比铜排母线更节能。

2)明显节省铜材

相同额定电流下,铜包铝管利用集肤效应形成管内中空结构的母线所耗铜材比铜排少约69.2%,大大降低了母线的生产成本。经核算,节能铜包铝管母线比普通铜排母线成本至少可下降50%。

3)工作更加安全可靠

一方面,节能铜包铝管母线将导体温升由国家标准的50℃降低至30℃,相比常规铜排母线,导体发热量降低57.6%,避免因母线的高温运行导致绝缘材料碳化和线路短路而引起火灾事故;另一方面,35kV及以下节能铜包铝管母线的工频耐压时间为5min,66kV及以上的为30min,节能铜包铝管母线的绝缘水平高于现行标准,大幅度提高了绝缘管母线的绝缘水平。

综上,节能铜包铝管母线在节能、节材、安全等方面具有较大的综合优势,在电力系统、石油化工、煤化工和新能源等领域中广泛推广,将带来巨大的社会效益和经济效益。

此文关键字:铜包铝管母线,温升

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