干式空心电抗器温度场仿真计算及试验分析

岳永刚，格日勒图，周广东

（1.内蒙古超高压供电局，呼和浩特 010080；2.山东泰开电力电子有限公司，泰安 271000）

0 引言

干式空心电抗器具有损耗小、噪音低、维护简单、电抗值线性度好等优点，多年来在电网中应用越来越广泛，变电站低压侧并联电抗器普遍采用此类设备。近几年国内各网省公司发生大量干式电抗器匝间击穿、烧损事故。无论是进口的还是国产的空心电抗器，从在电网中的使用和维护来看，运行一段时间后，都不同程度地出现局部过热，再发展成匝间短路、烧损，甚至起火的问题，引起了电网、生产企业和研究者的高度重视。空心电抗器的损耗与温升分布等相关研究受到越来越多的关注。西安交大刘志刚等基于耦合方法对干式空心电抗器温度场分布进行研究，仿真与试验给出了某型号电抗器的最热点温升在电抗器的上端，并给出了三个包封内表面的对流系数分布[1]。沈阳工业大学夏天伟等根据电抗器的结构特点，在不同部位采用不同的局部换热系数，利用热力学原理建立了温度场微分方程，对干式空心电抗器温度场进行了分析，计算表明包封内宽度一定时，绕组温度最高点位于中间偏上的位置，温度最高点与最低点差10℃。电抗器最高温升比平均温升高20～40℃[2]。国内外研究主要集中在干式空心电抗器温度分布，但对于包封内各层电磁线之间以及和包封表面之间的温升情况，以及各包封沿轴向的温升分布，电抗器平均温升和最热点温升的关系等方面还缺少相关分析研究[1-8]，而这些问题是电抗器设计、运行过程中最为关心的方面。尤其缺乏电抗器温度分布与电抗器匝间绝缘状态诊断研究。

针对上述问题，分别采用仿真分析的方法，并由试验进行验证，解决下面两方面问题：（1）找出包封内部轴向温度变化规律，为最热点温度的测量提供依据；（2）找出包封内部导线之间以及包封绝缘厚度与温升之间的关系，为绝缘的优化设计提供参考。

通过一年的肥效对比试验数据积累、比较可以看出：肥料合理配比和提高肥料利用率是作物高产稳产的关键，使用配方专用肥是解决这一问题的有效手段，同时可以改善土壤养分供给，满足作物对养分的需求，从而达到增产增收的目的，因此，建议在今后的生产中应推广专用配方肥[2]。

应用SPSS18.0统计学系统进行分析，计量资料用（± s）表示，组间比较采用t检验，计数资料用n（%）表示，组间比较采用χ2检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

1 仿真分析

采用流固体耦合传热+辐射传热的模型，同时考虑固体热传导、空气热传导、空气对流以及电抗器表面的辐射，考虑干式电抗器轴对称结构，建立如下电抗器的二维几何模型，如图1所示。

设置聚酯薄膜的热导率为0.2W/m·K，玻璃丝和树脂复合后的热导率为0.3 W/m·K，铝本身的热导率为200 W/m·K，但考虑到建模时将所有匝数的电磁线当作一个等效（等截面积）矩形进行建模，因此考虑径向的复合热导率即为铝的热导率200 W/m·K，轴向的复合热导率根据线径的不同分别为1.8835，1.0948，1.1443 W/m·K。

仿真计算本身是试验的一种手段，是实体试验的具体补充，但仿真计算结果也只有经试验数据验证，才具有实际应用的意义。

图1 电抗器导线及包封建模图

给电抗器施加1.35倍额定电压和1.35倍额定电流，得出电抗器的温升。

图2 电抗器整体温升分布图

图3 电抗器上端温升分布图

2 试验分析

（2）第二包封，即中间包封在包封的中段仿真计算与试验数据匹配最好，在上端受探头布点的影响，不能得出仿真结果与试验数据变化在最热点附近趋势是否一致的结论，关键点位置两者的温差同样小于3K；

图4 探头布置方式示意图

径向探头分别放置在包封内绝缘中间、第一层线的绝缘外侧、第二层线绝缘外侧、…、包封外绝缘中间，各探头之间允许沿周向存在偏移，以利于探头的布置。轴向探头分别放置在包封中间电磁线的外侧，探头距离上端的距离约60mm，考虑电抗器的上半部分温升梯度较大，为主要关注和分析的目标，探头之间的距离为30mm，下半部分探头之间的距离为60mm。

电抗器的表面辐射吸收系数为0.95。得出的电抗器及其周围的温度场分布如图2-图3所示：

仿真计算x=1200mm的径向温度分布，包封内部导线之间的温升差别较小，本例中包封内的温升差别在1℃以内。温度沿绝缘浸胶玻璃丝的径向分布具有较大的梯度。由于自然对流的作用，气道内部温度也具有较大的梯度，其中，气道中间的温度接近室温，温升约为5K，针对此规格小容量产品设计，当前气道宽度略宽，宽度设计优化是后续产品设计的方向之一。仿真结果如图5所示。

为民之心是初心，一切为了群众，群众就是一切。为保障辖区居民餐桌饮食安全，2015年，江岸区食药监局摸索出农贸市场蔬菜农残检测新模式，成为全市“吃螃蟹第一人”。局党组以民为本，找准第三方检测破局破题，充分激活检测潜力，收获监管红利。

2.1 仿真结果有效性分析

房颤是由于心房活动不协调而导致心房舒缩功能受损的一种快速室上性心律失常，可诱发脑卒中、心力衰竭、外周血管栓塞及心肌缺血等并发症，对患者的生活质量造成不利影响，永久性房颤与非永久性房颤相比，并发症更为严重，预后效果更差，故而有必要加强对永久性房颤因素的控制，降低非永久性房颤进展为永久性房颤的风险[1] 。血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）受体拮抗剂、他汀类药物为常用药物，联合应用可对房颤起到综合防治作用[2] 。本研究旨在探讨缬沙坦联合氟伐他汀治疗高血压合并非永久性房颤对房颤负荷、心率及预后情况的影响。现报道如下。

图5为x=1200mm，即线圈上端径向温升分布的对比图，从仿真计算结果与试验数据的匹配情况来看，仿真计算结果与实测温升数据比较一致，但在不同的包封体现不同的特点。首先，在最内和最外包封，仿真计算的温升结果偏大约5K，这与最内和最外包封散热条件较好，软件本身对辐射散热考虑不足有较大的关系，此偏差在工程设计和测量范围内，模型的优化留待后续研究；其次，中间包封仿真计算温升与试验温升完全一致，证明了材料参数、仿真计算模型的有效性，仿真计算结果完全可用来指导工程设计。

图5 x=1200mm处电抗器径向温度分布对比

第一包封第二层线外侧轴向温升仿真结果和试验结果对比：

图6 第一包封内仿真温升同实测温升对比

第二包封第二层线外侧轴向温升对比：

图7 第二包封内仿真温升同实测温升对比第三包封第二层线外侧轴向温升对比

（1）通过试验验证，采用流固体耦合传热+辐射传热的模型，同时考虑固体热传导、空气热传导、空气对流以及电抗器表面的辐射所建立的电抗器二维几何模型满足电抗器实际运行情况。仿真结果同实测结果变化趋势一致，轴向和径向温升分布均能够较好的吻合，总的来看仿真结果同试验结果的温升差异小于5K，关键点仿真计算温升与试验结果偏差可达1K，仿真计算结果与试验数据趋势一致、匹配性好，可作为工程设计优化的参考。

（1）第一包封的仿真计算结果整体偏大，但最热点附近，即在电抗器的上端两者匹配良好，偏差小于3K；

制作了型号为CKGKL-10-60-6的温升样机试验模型，在包封的径向和轴向放置测温探头，用于测量包封内部的温升分布情况以及比较包封内外的温度变化。探头的放置如下图所示：

（3）第三包封，仿真计算与试验数据整体匹配均较好，尤其是在包封上端的最热点附近，两者变化趋势完全吻合，数据偏差小于1K。

从上述轴向和径向仿真数据和试验数据的对比分析来看，两者整体的温升差异小于5K，关键点的温升差异均小于3K，仿真计算数据趋势正确，关键数据点准确有效，完全具有指导工程优化设计的价值。

图8 第三包封内仿真温升同实测温升对比

2.2 最热点位置研究分析

不同包封的散热条件存在较大的差异，因此不同位置包封的最热点分布完全不同，但大致可分为内外包封和中间包封两大类。为方便后续的分析，对轴向温升最热点的研究均取各包封第二层电磁线位置轴线的温升分布为研究目标。具体分析如下：从图6-图8可以看出，针对样机型号产品，其内包封最热点温升在轴向x=1300mm位置；中间包封最热点位置在x=1350位置；外包封最热点温升在轴向=1330mm位置；按照包封的尺寸比例，内外包封最热点在包封高度的85～90%位置，各包封位置差异不明显，实际工程温升测量参考此数据进行测量。

2.3 干式空心电抗器温升分布规律分析

从轴向温度分布图可以看出：包封内的温升最高点一般位于x=1300～1350mm处，即在包封上端约150mm处，这一位置接近包封中上约1/5处，如图9～图11所示。包封内部轴向温度变化由接近室温逐步升高，到达最大值，温升约50K，后温度下降，温升曲线呈拱形。

为了更好地分析沿包封径向和轴向的温度变化，选取了如下轴向和径向的位置进行温升分布的分析：x=800，900，1000，1200（相当于端绝缘下 250mm 处），y=0.35（1包封内表面），y=0.0358565（1包封 2层线外侧），y=0.3644（1包封外表面），y=0.3894（2包封内表面），y=0.395135（2包封 2层线外侧），y=0.3994（2包封外表面），y=0.4244（3包封内表面），y=0.43237（3包封3层线外侧），y=0.43865（3包封外表面）。

图9 第1包封内外表面以及2层线外侧轴向温度分布

图10 第2包封内外表面以及2层线外侧轴向温度分布

图11 第3包封内外表面以及3层线外侧轴向温度分布

3 结语

图6-图8为不同包封轴向的温升分布对比分析，可看出不同包封的实测数据与仿真计算数据存在不同的规律，且轴向温升分布两者的匹配性与径向温升分布存在差异。主要表现在：

从功能关系的角度，我们可以得出结论，在导体静止时，一个通电导体所受安培力是其中粒子所受洛伦兹力的宏观表现；在导体运动时，一个通电导体所受安培力与其中全部粒子所受的洛伦兹力不完全等效。

（2）包封内的温升最高点一般位于包封中上约1/5处，可为后续的实际最热点温升测量提供依据。

（3）从仿真径向温度分布来看，包封内部导线之间的温升差别较小，本例中包封内的温升差别在1℃以内。温度沿绝缘浸胶玻璃丝的径向分布具有较大的梯度。

切实转变政府职能，使其从管理企业向市场监管转变，从直接管理向间接管理转变。要切实遵循市场经济规律，坚定不移地开放水务市场，利用市场机制发展供排水、污水处理产业。水务提供的产品具有准公共产品的特性，关系到群众的正常生活，政府必须对这个领域进行有效监管，特别是要加强价格、服务质量和服务安全的监管，以确保人民群众的切身利益，出台一系列政策保证低收入阶层获得应有的基本服务。为了保证这一目标的实现，政府还应该通过专门的机构监督落实。

同时，关注数字文化发展，利用数字网络技术，加大数字产品和服务的研发，进行数字网络出版、发行与传播[13]，充分利用微博、微电影等微文化渠道，以及中国驻外文化交流机构扩大亳文化的对外传播。积极组织亳州文化企业参加国际大型会展、贸易洽谈会、文化年、艺术节等重大经济、文化交流活动，搭建亳文化企业与海外市场沟通交流的桥梁，拓宽亳文化“走出去”的渠道。

（4）由于自然对流的作用，气道内部温度具有较大的梯度，其中，气道中间的温度接近室温，温升约为5K。对于气道宽度设计，应当重新考虑气道宽度更改后对温升分布的影响。

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