基于集总RC 热网络方法的干式套管暂态温度计算方法研究与应用

陈 昱，张 宁，李惠专，何炳峰

（广东电网有限责任公司中山供电局试验研究所，广东 中山 528400）

0 引 言

电力变压器是电网的关键设备，运行状态直接影响电网的安稳运行[1]。干式套管因具有无瓷、防爆等优点，广泛应用于电网的变压器设备中。广东电网有限责任公司中山供电局最近发生多起干式套管绝缘劣化，引起介损和绝缘电阻异常。因此，必须定期对干式套管开展电气试验，检测其绝缘状态，以保证满足运行要求，避免绝缘故障的发生[2]。

1 干式套管内部等效集总RC热网络参数

1.1 干式套管内部热源及热流分析

套管结构[3]如图1所示。套管内部各部分温度分布和外部环境温度不同，温度差异存在热量交换形成热流。传播特性可分为热传导和热辐射。热传导是指套管内部由于温度分布差异而形成的热量交换。热辐射指套管与外部环境存在温度差（主要是指套管内部温度高于环境温度）而向外部环境辐射热量。

1.2 等效集总RC热网络参数

套管的温度分布特性可等效为集总RC热网络模型，即套管内部可等效为热阻R和热容C串、并联组成的热网络结构。此外，内部热源可等效为恒热流源，

图1 套管结构及热流分布

外部热源可等效为恒温源。根据套管结构和尺寸参数，相关的计算公式和关系为：

其中，Q1为导杆热源；K为导杆趋肤效应折算系数；R为导杆电阻，与温度相关；R0为20 ℃的电阻值；α20为电阻温度折算系数；T为实际温度；Q2为介质损耗热源；U为导杆电压；f为电压波形频率，工频下为50 Hz；C为介质等效电容；tanδ为介质损耗角正切值，与温度有关；tanδ20为20 ℃下的介质损耗角正切值；Rr为轴向热阻，k为介质导热系数，L为介质长度，r0为介质外半径，r1为介质内半径，Rl为径向热阻。

2 干式套管内部等效集总RC热网络模型

根据套管安装结构和集总RC热网络模型，可得到干式套管的集总RC热网络模型如图2所示。

图2 干式套管集总RC热网络模型

其中Qi为内部总热源，Ui为空气和变压器油组成的热源，Ri为界面热阻，Rji为轴向介质热阻，Rji(i+1)为径向介质热阻，Rti为轴向伞裙热阻，Rti(i+1)为径向伞裙热阻，Rfi为轴向法兰热阻，Rfi(i+1)为径向法兰热阻，Cji、Cti和Cfi分别为套管介质、伞裙和法兰的热容。将套管进行n层分层划分，根据集中RC热网络模型原理，各层网络关系为：

将空气和变压器油的等效稳压源转换为实际温度代入式（7）、式（8），即可根据实际分层划分情况，计算出套管内部各分层划分部分的平均温度。

3 模型仿真计算及有限元仿真验证

3.1 模型仿真计算方法

集总RC热网络模型可以算出网络中各个节点的温度值。因此，选择套管导杆、套管介质中部和复合硅橡胶伞裙的温度情况作为输出变量，研究三个节点随时间的温升情况。对于式（7）、式（8）构成的矩阵方程，选择牛顿-拉夫逊法求解。

3.2 有限元仿真验证

为了验证集总RC热网络热模型计算结果的有效性和正确性，用有限元仿真的方法，在Anasys中以温度-热流耦合场对干式套管的温度分布特性进行仿真研究。选取套管导杆、套管介质中部和复合硅橡胶伞裙为对象，获取的温升曲线如图3所示。

图3 集总RC热网络模型与有限元模型计算套管温升对比

集总RC热网络模型和有限元模型的温升情况基本一致，验证了RC热网络模型计算套管内部温度分布状态的有效性。

4 结 论

基于集总RC热网络模型，针对干式套管内部温度分布提出了一种简便的计算方法，通过有限元仿真验证了它的有效性。在已知环境温度、变压器油温、变压器负荷和变压器运行电压的条件下，根据计算精度需求，可以方便地计算套管内部的温度分布情况，并以此作为套管介损和绝缘电阻数据的折算依据，获取套管真实状态的数据。