换流变阀侧套管温度分布的计算及其影响因素分析

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(1.南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州 510663； 2.西安交通大学，西安 710049)

0 引言

作为换流变压器出线的关键设备，换流变阀侧套管在电力系统中起着关键作用，其安全稳定运行是电力系统可靠性评估的保证。在实际工程中，换流变阀侧套管承受着电流和电压负载以及一定强度的机械载荷，其安全运行不仅被绝缘与机械强度等级所决定，由焦耳热产生的温升也是不容忽视的因素之一。随着国内电网的发展，电网电压等级和容量不断提升，在这种情况下，套管的发热量也会随之增加。根据换流变阀侧套管的运行条件，热问题或将成为影响安全运行的最严重问题之一，再次基础上，套管温度场分布就显得尤为重要。当热故障发生时，若不及时处理，有可能留下安全隐患，甚至由此导致绝缘失效。因此，有必要在套管的设计阶段就对其温度场的分布进行分析，在此基础上研究其影响因素，为其优化与运行提供指导方向。

目前，国内出现过多次由于换流变阀侧套管热故障而导致停运的事故。在负荷较大的情况下，国内某换流站由于套管的过热故障，引发了多次系统的非计划性停电[1-3]。南方电网在云南地区的换流站也发生了多起套管顶部过热缺陷[4]。在存在事故的背景下，国内外已有多位学者围绕着套管的发热问题进行了部分研究。张施令等人对换流变阀侧套管的损耗进行了分析，并计算了500 kV水平的树脂浸渍纸套管的电场和温度场[5-6]。Jyonthi和Ramu提出了套管温度分布的模型，但衬套的细节没有进行考虑[7]。王青于等人通过耦合电磁流体热学来研究变压器套管的温度场分布，并与实验结果进行比较，同时，还研究了部分结构参数的对温度场分布的影响，并由此设计了一种新型的套管散热结构[8-11]。但环境温度等环境因素和运行条件并不一致，文献中没有对此进行讨论。另外，物理性质和材料参数也是不容忽视的条件。

为了研究变压器套管的温度分布及其影响因素，根据实际模型建立了换流变阀侧套管的三维仿真模型。利用流体动力学计算软件ANSYS CFX和有限元分析软件COMSOL，通过电磁-热-流分析，计算了换流变阀侧套管在实际电流波形下的温度分布。同时，选取影响换流变阀侧套管温度场分布的主要因素，通过改变这些参数数值，分析了不同参数对温度场分布的影响，为换流变阀侧套管的设计与运行提供参考。

1 计算模型与方法

1.1 计算模型

换流变阀侧套管的整体结构包括导电管、表带触指、SF6气体、环氧芯子、护套和变压器油箱，如图1所示。根据±500 kV换流变阀侧套管的图纸，按照实际尺寸，在有限元仿真软件COMSOL Multiphysics与ANSYS CFX中建立有限元仿真模型。导电管的内半径为50 mm，外半径为66 mm，套管的整体长度为9 880 mm。导电管由具有较高热导率的铜制成，法兰和其他配件由2A11型铝制成。在换流变阀侧套管内，SF6气体压力与油压分别为0.35 MPa和0.1 MPa。由于制成环氧芯子中电容屏的铝箔厚度极薄，发热量的计算以及温度场分布的计算几乎不会受到它的影响。因此为了减小计算难度同时加快计算速度，电容屏在模型中被忽略了。

在图1中，路径1在导电管和环氧芯子之间的交界面上，路径2在环氧玻璃筒和护套的交界面上。为了确定不同因素对温度场分布的影响情况，在得到计算结果后提取路径1与路径2的温度数据进行比较。本文中，通过改变外界环境温度、变压器油温、环氧芯子的热导率以及护套热导率，从而获得不同因素对温度场分布的影响关系。

图1 ±500 kV换流变阀侧套管结构示意图Fig.1 Schematic of structure of ±500 kV convector transformer RIP bushing

1.2 计算方法

换流变阀侧套管温度场分布的电磁-热-流计算流程图如图2所示。

图2 电磁-热-流计算方法流程图Fig.2 Flow chart of electromagnetic-fluid-thermal method

在电磁热计算中，使用COMSOL中的磁场模块，考虑了试验或运行中交直流及谐波电流流过导电管时的趋肤效应，本文计算中加载在导电管上的等效工频交流电流的有效值为2 514 A。计算后，由此得到不同坐标系的电磁热功率，以此作为CFX的发热源。为了对模型进行简化，忽略了泄漏电流的发热功率。在CFX中进行热-流计算时，考虑了热传导、热对流和热辐射这三种基本传热方式。在对热辐射进行考虑时，套管的所有部分都视为灰体，即吸收系数与波长无关。

由于电阻率是一个温度相关变量，而加热功率与电阻率有关，因此有必要对电阻率值进行修正。金属电阻率随温度变化的关系如公式(1)所示：

ρ(T)=ρ0[1+a(T-T0)]

(1)

式中：a为铜的电阻率温度系数，ρ0表示在温度T0下的电阻率。当得到温度场分布的计算结果时，需要对电阻率进行修正，并重新计算加热功率与温度分布，知道两次迭代的温度差满足控制值时认为计算结果准确，并停止迭代。

CFX中所需要的计算参数均由实验测量获得。套管表面在油中和在空气中的对流换热系数分别为100 W/(m2·K)和10 W/(m2·K)。在首次计算换流变阀侧套管温度场分布时，为了模拟套管的实际运行中较为严苛的情况，将环境温度设置为50℃，变压器油温设置为90℃。换流变阀侧套管的安装倾角与竖直方向成21°。

2 计算结果与分析

2.1 换流变阀侧套管温度分布计算结果

图3给出了500 kV换流变阀侧套管温度场分布云图。图3(a)给了整体温度场分布的结果，图3(b)给出了导电管的温度分布。从结果中可以看出，导电管临近油箱处温度要高于出现端部，其最高温度为391.5 K，位于油箱内的导电管底端。图3(c)为环氧芯子轴对称截面的温度场分布，温度沿轴向与径向逐渐减小。其油浸部分的最高温度达到381.42 K，略低于环氧树脂的玻璃化转变温度。护套表面的温度场分布由图3(d)给出，从图中可以看出，护套表面的最高温度为355.10 K，其位于护套与导电管接触点。

2.2 环境温度的影响

实际上，虽然阀厅内带有温度控制系统，保持室内的气体温度相对处于一个恒温的状态。但是由于季节、昼夜的变换，室外温度的变化相对较大，尤其是在高海拔地区，由可能影响到室内温度。同时，控温系统也不是随时保持阀厅内的温度不变，而是在一定范围内波动。因此，有必要分析环境温度与套管温度场分布的关系。

图4给出了不同环境温度下关键部位沿面的温度分布曲线图。

图3 换流变阀侧套管温度场分布云图Fig.3 Initial temperature distribution of bushing

(a)路径1的温度分布

(b)路径2的温度分布图4 不同环境温度下的温度分布曲线图Fig.4 Comparison curve of temperature distribution for different environmental temperature

4(a)给出了导电管表面沿路径1的温度分布曲线。从图中可以看出，当环境温度升高时，温度的分布会发生显著的变化。环境温度对导电管在油中的部分的温度影响不大，然而对于远离油箱的部分，可以看出其温度分布与环境温度呈正相关。导电管表面沿路径1的温度在环境温度为50℃时的最大值为384.4 K，比环境温度为10℃时高出了3.7%。4(b)给出了护套表面沿路径2的温度分布曲线。从图中可以看出，护套表面温度与环境温度呈近似的线性相关性。其最高温度主要分布在护套的末端，这是由于此处与导电管或法兰相连接。当环境温度从10℃上升到50℃时，沿着路径2的最高温度从304.0 K上升到了337.6 K。

2.3 换流变油温的影响

与阀厅相类似，虽然变压器油箱内的油温有严格的控制标准，但其温度的控制还是限定在一定温度范围内，温度的波动有可能影响套管的温度分布。同时，在实际运行的过程中，变压器油箱的控温系统有可能发生故障，此时就要考虑套管对不同控温系统故障下的耐受能力。因此，对换流变油温对温度场分布的影响进行研究。

图5为变压器油温从80℃升高到120℃时沿着路径1与路径2的温度分布曲线图。

(a)路径1的温度分布

(b)路径2的温度分布图5 不同油温下的温度分布曲线图Fig.5 Comparison curve of temperature distribution for different oil temperature

从图中可以看出，导电管的最大温度随着油温的升高而升高，但油温对导电管与护套表面的影响程度，随着它们的位置远离油箱而减小。对于护套表面的路径2，除了法兰附近的部分以外，温度的分布几乎没有什么变化。这是由于护套的热导率有限，不足以影响到整个表面。

2.4 环氧芯子热导率的影响

绝缘材料热导率是影响换流变阀侧套管温度场分布的重要因素之一。在不同环氧热导率的情况下沿着路径1与路径2的温度分布曲线见图6。由于在对环氧热导率测量的实验中测得纯环氧的热导率为0.2 W/(m·K)，而环氧浸渍纸的热导率为0.35 W/(m·K)。因此，为分析环氧芯子的热导率对温度场分布的影响，其热导率在0.2 W/(m·K)到0.4 W/(m·K)范围内等间隔取值。从图中可以看出，随着环氧芯子热导率的不断增加，导电管表面的温度将会逐渐下降。热导率在较低值时，通过增大热导率来降低导电管表面温度的作用效果明显。当环氧芯子的热导率高于0.3 W/(m·K)时，增大环氧芯子热导率对降低导电管表面温度的作用变得较弱。护套表面的温度基本不受影响。

(a)路径1的温度分布

(b)路径2的温度分布图6 不同环氧热导率下的温度分布曲线图Fig.6 Comparison curve for different thermal conductivity of resin impregnated paper

2.5 护套热导率的影响

在对护套热导率的影响研究中，在计算条件与2.1中相同的情况下，使护套热导率在1.0 W/(m·K)至2.0 W/(m·K)之间变化。所得结果表明护套热导率对换流变阀侧套管的温度场分布极为有限。通过分析可以发现，导致护套热导率对温度场分布影响极小的原因是由于环氧的热导率较小，热量较难从导电管向外传递。在这种情况下，仅通过增加护套热导率来改善套管的热问题是收效甚低的。

3 结论

研究了换流变阀侧套管温度场分布的电磁-热-流计算方法，计算了±500 kV换流变阀侧套管在等效交流电流下的温度场分布，同时，研究了不同因素对换流变阀侧套管温度场分布的影响，得出以下结论：

1)±500 kV换流变阀侧套管的最高温度出现套管油中部分，即出线装置连接端头附近的导电管与环氧芯子之间的界面处。

2)套管工作的环境温度、变压器油温、环氧芯子的热导率会不同程度地影响温度场分布，且影响的范围不同。不同因素对套管不同部位的影响程度差异很大。当环境温度和变压器油温的控制出现波动时，需要及时关注套管的温度分布变化，并降低负荷、减小载流量，将套管的运行温度控制在绝缘允许的最大工作温度之下。

3)热设计是换流变阀侧套管发热和散热结构、材料电热参数相互配合的协同过程，仅改变单一结构材料的热导率难以在整体上实现热设计的最优化。电磁-热-流计算方法及其结果可为换流变阀侧套管的热设计、运行维护和故障分析提供有价值的参考。