疊裝式干式空心電抗器溫度場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)分析

1、疊裝式干式空心電抗器溫度場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)分析*王珊1，張亞扶1，李春2，宿曉嵐1，鐘培文2，熊蘭2（1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司，重慶，400015；2.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044）摘要：電抗器的熱穩(wěn)定校核是生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)，溫度監(jiān)測(cè)是檢修維護(hù)的重要環(huán)節(jié)。電抗器溫升過(guò)高造成包封絕緣損壞，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)燒毀事件。本文基于有限元的方法，運(yùn)用電磁場(chǎng)-流場(chǎng)-溫度場(chǎng)理論對(duì)三相疊裝式干式空心電抗器進(jìn)行了溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算，提出了電抗器包封溫度在軸向上和徑向上的分布規(guī)律。研制基于物聯(lián)網(wǎng)模式的干式空心電抗器溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)某變電站內(nèi)電抗器進(jìn)行了多點(diǎn)溫升測(cè)試。

2、通過(guò)對(duì)比分析，仿真值與測(cè)量值吻合良好。研究成果能夠?yàn)楦墒娇招碾娍蛊鞯臏囟仍诰€監(jiān)測(cè)與故障診斷提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：干式空心電抗器；溫度場(chǎng)；COMSOL；溫升；在線監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)中圖分類號(hào)：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-1390（2018）00-0000-00Temperature field simulation and analysis in field test of laminate dry-type air-core reactorWang Shan1, Zhang Yafu1, Li Chun2,Su, Su Xiaolan1, Zhong Peiwen2, X

3、iong Lan2(1. Urban Power Supply Branch, State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400015, China. 2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstract: Thermal stability check is the important

4、 indicator of design for reactor, and the as well as temperature monitoring is the important part of maintenance. Excessive temperature rise of reactor will damage the encapsulation insulation, which leads to burn in serious case. Based on finite element method, the theories of electromagnetic field

5、 and fluid field-temperature field are applied to analyze and calculate the temperature field distribution of three-phase laminate dry-type air-core reactor, thenand then, the rule of the axial and radial temperature distribution of encapsulations is proposed. An on-line temperature monitoring syste

6、m for dry-type air-core reactor based on Internet internet of Things things model is developed to test temperature rise of multi-sensors of a reactor in substation. Comparative analysis shows that the simulation values are in good agreement with test values. The research results can provide a theore

7、tical basis and reference for on-line monitoring and fault diagnosis of dry-type air-core reactor.Keywords: dry-type air-core reactor, temperature field, COMSOL, temperature rise, internet of things0引 言*基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司資助項(xiàng)目(2017渝電科技自52#)干式空心電抗器憑借線性度高、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、噪聲低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用，具有逐步取代傳統(tǒng)油浸鐵芯電抗器

8、的趨勢(shì)1,2。由于受到運(yùn)行環(huán)境惡劣、過(guò)壓、過(guò)流、諧波高、設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，電抗器在運(yùn)行時(shí)溫升過(guò)高，造成包封絕緣損壞，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)燒毀事件3,4。電抗器的熱穩(wěn)定校核是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，溫度監(jiān)測(cè)是檢修維護(hù)的重要環(huán)節(jié)。因此，對(duì)干式空心電抗器的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行研究，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)單相的干式空心電抗器溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，研究方法包括解析計(jì)算法5,6、數(shù)值計(jì)算方法7,8、實(shí)驗(yàn)測(cè)量法9,10。文獻(xiàn)6通過(guò)建立和求解電抗器溫度場(chǎng)的微分方程得到其溫度分布，但是缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性；文獻(xiàn)8中電抗器溫度場(chǎng)的有限容積法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合良好，但是只研究了單相電抗器的溫度場(chǎng)；文獻(xiàn)1

9、0通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)電抗器包封表面溫度進(jìn)行測(cè)量，但是測(cè)點(diǎn)復(fù)雜，且不能全面獲取電抗器各點(diǎn)溫度。 近年來(lái)，有限元仿真軟件廣泛運(yùn)用于電力設(shè)備的物理場(chǎng)計(jì)算，取得了良好的效果11-15。本文基于有限元法在COMSOL中對(duì)三相疊裝的干式空心電抗器溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電抗器的溫度分布規(guī)律；通過(guò)自主研發(fā)的干式空心電抗器溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量運(yùn)行中的電抗器溫度，由對(duì)比分析表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好。本文的研究成果能夠指導(dǎo)電抗器的溫度監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，為定位電抗器的故障點(diǎn)提供理論基礎(chǔ)。1 流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型本文采用流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合的方法分析干式空心電抗器的溫度場(chǎng)分布，即在分析電抗器的熱傳導(dǎo)的同時(shí)，考慮周圍空氣流體對(duì)

10、電抗器散熱的影響。電抗器采用自然散熱方式，空氣視為不可壓縮流體，滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程及能量方程。在圓柱坐標(biāo)系中，上述方程為16 （1） （2） （3） （4）式中為空氣密度，為粘性系數(shù)，為流體導(dǎo)熱系數(shù)，p為流體壓力，Tl為流體溫度，vr和vz分別為流體在r軸和z軸的速度。此外，電抗器與空氣滿足熱傳導(dǎo)方程 17： （5）式中k為導(dǎo)熱系數(shù)，h為固體對(duì)流換熱系數(shù)， Ts為固體溫度，As和Aj分別為固體散熱面和絕熱面。聯(lián)立上述方程，即可求解電抗器及周圍流體的溫度場(chǎng)分布。2 電抗器模型的建立本文對(duì)某變電站電容器組的三相串聯(lián)干式空心電抗器進(jìn)行了仿真。該電抗器單相容量116.9kVar，系統(tǒng)額定電壓

11、10kV，額定電流368A，電抗率5%，額定電抗0.86。電抗器由6個(gè)包封組成（從內(nèi)到外編號(hào)為16），氣道寬度20mm，包封外徑1.175m，包封高度0.55m。電抗器組采用疊裝安放，由上至下分別為A、B、C相，底座高度為1.03m，相間距離為0.68m，如圖1所示。圖1 三相疊裝電抗器Fig.1 Three Three-phase laminate reactor電抗器具有對(duì)稱性，因此建立了二維軸對(duì)稱模型，忽略星形支架、撐條的影響，只考慮包封本體。電抗器的熱源為各層繞組的電磁熱，由于磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)間為弱耦合的關(guān)系，因此在仿真時(shí)為了加快收斂速度，在仿真軟件COMSOL的一個(gè)仿真過(guò)程中，先在頻域中

12、求解電磁場(chǎng)，其次將解得的電磁熱直接耦合為熱源，進(jìn)行流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的計(jì)算。與傳統(tǒng)的仿真方法相比，該方法無(wú)需分別進(jìn)行電磁場(chǎng)和流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的兩個(gè)仿真過(guò)程，且無(wú)需在電磁場(chǎng)的仿真后人工計(jì)算電磁場(chǎng)熱，而是由軟件直接計(jì)算并進(jìn)行耦合，簡(jiǎn)化了仿真步驟，提高計(jì)算結(jié)果的精確性。在流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的計(jì)算中，邊界條件的確定如下：(1)環(huán)境溫度為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)硶r(shí)刻的實(shí)際溫度32.5。(2)空氣域上邊界為流體出口，相對(duì)壓力為0，溫度為開(kāi)邊界；右邊界為流體開(kāi)邊界，相對(duì)壓力為0，溫度為環(huán)境溫度；下邊界為地面，流體相對(duì)速度為0，溫度為環(huán)境溫度；左邊界為軸對(duì)稱邊界。(3)電抗器包封表面為無(wú)滑移邊界條件，并添加邊界熱輻射，輻射率取0.9。3

13、仿真結(jié)果分析3.1三相電抗器溫度場(chǎng)分布三相疊裝式電抗器溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖2所示，可知電抗器及流體溫度總體呈現(xiàn)由下至上溫度升高的趨勢(shì)。分別取三相電抗器的第三包封，對(duì)比研究其沿軸向上包封表面的溫度，分析結(jié)果如圖3所示。由圖可知，對(duì)于每相電抗器而言，隨著電抗器高度的增加，包封表面溫度升高，每相的溫度變化趨勢(shì)相似；對(duì)比每相包封的相同高度上的溫度，A相包封溫度最高，B相次之，C相最低，溫差在1到3 圖2 三相溫度場(chǎng)/Fig.2 Temperature field of three three-phase rector圖3 各相包封溫度對(duì)比Fig.3 Temperature comparison of

14、 encapsulation in each phase之間。由傳熱學(xué)原理可知，電抗器周圍的空氣受熱后將會(huì)向上流動(dòng)，聚集在電抗器高層的空氣溫度較高，圖2的仿真結(jié)果與理論分析相符合。因此，電抗器高層的散熱條件較差，在熱源相同的情況下，疊裝式電抗器頂部電抗器包封溫度較底部高。3.2 單相電抗器溫度場(chǎng)分布以A相電抗器為例，分析各包封溫度分布規(guī)律。圖4為各包封沿軸向方向上的溫度分布圖。在軸向上，各包封溫度分布趨勢(shì)相似：包封表面溫度總體上隨著高度的增加而增加，約在包封高度的95%處為包封熱點(diǎn)。這是由于電抗器周圍空氣受熱向上流動(dòng)，空氣具有粘性，在包封壁面形成溫度邊界層，且該邊界層隨著壁面高度的增加而變厚1

15、8，導(dǎo)致上部散熱較差，溫度較高。包封底部至高度5%處的范圍內(nèi)，湍流還沒(méi)有充分形成，包封壁面與空氣間的換熱較差，因此溫度急劇上升；包封高度的95%至頂端為氣流出口處，熱流與周圍冷卻空氣換熱充分，包封溫度有所降低。徑向方向上，同一高度處的各包封溫度不同，溫度大小受到包封包含的各層繞組數(shù)目、各層繞組運(yùn)行電流大小、散熱條件的綜合影響。其中，位于中間的第三包封溫度較高。B相和C相的運(yùn)行條件與A相類似，因此各包封的溫度分布與A相相似，在此不做贅述。圖4 A相電抗器各包封軸向溫度Fig.4 Axial temperature of each encapsulation in A phase reactor4

16、 干式空心電抗器溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4.1 系統(tǒng)組成為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集電抗器包封溫度，本文研制了一套干式空心電抗器溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由溫度采集節(jié)點(diǎn)、采集終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控層組成，如圖5所示。其中，溫度采集節(jié)點(diǎn)的傳感器單獨(dú)設(shè)計(jì)和封裝，可探入氣道緊貼于干式空心電抗器包封的熱點(diǎn)表面；溫度采集節(jié)點(diǎn)與采集終端利用ZigBee的無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，避免電磁干擾，無(wú)需額外布線，便于節(jié)點(diǎn)的安裝與增加；基于物聯(lián)網(wǎng)的模式19,20，傳感器采集到的包封熱點(diǎn)數(shù)據(jù)由GPRS接入網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)在于支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量的大量擴(kuò)展，便于設(shè)備的管理，并且能夠儲(chǔ)存大量歷史數(shù)據(jù)，便于大數(shù)據(jù)的分析和利用。網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)與上傳的數(shù)據(jù)通過(guò)

17、APIKey作為入網(wǎng)的鑒權(quán)碼，相互匹配和識(shí)別，通過(guò)分享應(yīng)用的鏈接可以實(shí)現(xiàn)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)。通過(guò)對(duì)硬件和軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)功耗僅為1uA、3.3V，測(cè)量精度為0.01，節(jié)點(diǎn)設(shè)備體積僅為33x36x8mm。根據(jù)前述仿真結(jié)果，指導(dǎo)溫度采集節(jié)點(diǎn)分別安裝于三相電抗器包封熱點(diǎn)處及軸向高度的中部，云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示包封節(jié)點(diǎn)的溫度，并對(duì)以下情形進(jìn)行報(bào)警：（1）節(jié)點(diǎn)采集溫度大于設(shè)定的閾值；（2）單相電抗器中，中部采集節(jié)點(diǎn)溫度異常高于熱點(diǎn)溫度；（3）對(duì)于同一部位的采集節(jié)點(diǎn)，位于下層電抗器的溫度異常高于上層電抗器的溫度。圖5 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of on-line mo

18、nitoring system4.2 實(shí)驗(yàn)分析每相電抗器分別安裝兩個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)，位于第三包封高度的50%和95%處，節(jié)點(diǎn)的安裝如圖6所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)周圍環(huán)境條件為：環(huán)境溫度35.5，大氣壓101.3kPa，空氣濕度64%，風(fēng)速0.1m/s。將電抗器投入運(yùn)行，約2.5h待電抗器運(yùn)行穩(wěn)定后讀取各節(jié)點(diǎn)溫度值。各點(diǎn)溫度測(cè)量值與仿真值的對(duì)比如表1所示。圖6 溫度采集節(jié)點(diǎn)的安裝Fig.6 Installation of temperature acquisition node表1 仿真值與測(cè)量值對(duì)比Tab.1 Comparison of simulation values with measured val

19、ues相序測(cè)點(diǎn)仿真值/測(cè)量值/誤差/%A相50%75.2377.533.05795%78.5480.923.030B相50%74.2176.382.92495%76.3278.242.516C相50%72.1274.523.32895%73.5875.212.215仿真值和測(cè)量值的誤差3.5%內(nèi)，且測(cè)量值普遍高于仿真值。分析造成誤差的主要原因是模型的建立時(shí)忽略了撐條，受撐條的影響電抗器的散熱條件較差；另外，電抗器運(yùn)行時(shí)電流中含有系統(tǒng)諧波，仿真時(shí)未考慮諧波的影響，因此繞組實(shí)際產(chǎn)生的熱量較仿真值高?？傊?，仿真值和測(cè)量值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)21為0.95，兩者的相關(guān)性極強(qiáng)。5 結(jié)束語(yǔ)（1）應(yīng)用有限元方法

20、對(duì)三相疊裝式干式空心電抗器進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真。以電磁場(chǎng)計(jì)算所得的電磁熱作為熱源直接耦合到流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的仿真中，得到了電抗器的溫度場(chǎng)分布。（2）總結(jié)了電抗器包封溫度的分布規(guī)律。每相電抗器軸向方向上包封溫度分三個(gè)區(qū)域，包封熱點(diǎn)約位于高度的95%；徑向上為第三（居中）包封溫度最高。三相疊裝的電抗器，位于上層的電抗器包封溫度高于下層電抗器。（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真值進(jìn)行比較，兩者誤差不超過(guò)3.5%，相關(guān)系數(shù)為0.95，說(shuō)明仿真計(jì)算結(jié)果具備良好的準(zhǔn)確性；仿真結(jié)果可以指導(dǎo)溫度采集節(jié)點(diǎn)的布置和作為溫度報(bào)警的依據(jù)。本文的研究成果能夠?yàn)楦墒娇招碾娍蛊鳒囟仍诰€監(jiān)測(cè)提供理論支撐。參 考 文 獻(xiàn)順特電氣有限公司. 樹(shù)

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