疊裝式干式空心電抗器溫度場仿真與實驗分析

1、疊裝式干式空心電抗器溫度場仿真與實驗分析*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 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶，400044）摘要：電抗器的熱穩(wěn)定校核是生產(chǎn)設計中的重要指標，溫度監(jiān)測是檢修維護的重要環(huán)節(jié)。電抗器溫升過高造成包封絕緣損壞，嚴重時引發(fā)燒毀事件。本文基于有限元的方法，運用電磁場-流場-溫度場理論對三相疊裝式干式空心電抗器進行了溫度場的仿真計算，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)測系統(tǒng)，對某變電站內電抗器進行了多點溫升測試。

2、通過對比分析，仿真值與測量值吻合良好。研究成果能夠為干式空心電抗器的溫度在線監(jiān)測與故障診斷提供理論基礎和參考依據(jù)。關鍵詞：干式空心電抗器；溫度場；COMSOL；溫升；在線監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：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*基金項目：國網(wǎng)重慶市電力公司資助項目(2017渝電科技自52#)干式空心電抗器憑借線性度高、重量輕、機械強度高、噪聲低、易維護等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的運用，具有逐步取代傳統(tǒng)油浸鐵芯電抗器

8、的趨勢1,2。由于受到運行環(huán)境惡劣、過壓、過流、諧波高、設計不當?shù)纫蛩氐挠绊?，電抗器在運行時溫升過高，造成包封絕緣損壞，嚴重時引發(fā)燒毀事件3,4。電抗器的熱穩(wěn)定校核是生產(chǎn)設計的重要指標，溫度監(jiān)測是檢修維護的重要環(huán)節(jié)。因此，對干式空心電抗器的溫度場分布進行研究，具有較大的工程應用價值。國內外學者主要對單相的干式空心電抗器溫度場進行研究，研究方法包括解析計算法5,6、數(shù)值計算方法7,8、實驗測量法9,10。文獻6通過建立和求解電抗器溫度場的微分方程得到其溫度分布，但是缺少實驗驗證計算結果的可靠性；文獻8中電抗器溫度場的有限容積法計算結果與實驗測量結果吻合良好，但是只研究了單相電抗器的溫度場；文獻1

9、0通過實驗的方法對電抗器包封表面溫度進行測量，但是測點復雜，且不能全面獲取電抗器各點溫度。 近年來，有限元仿真軟件廣泛運用于電力設備的物理場計算，取得了良好的效果11-15。本文基于有限元法在COMSOL中對三相疊裝的干式空心電抗器溫度場進行仿真計算，得到電抗器的溫度分布規(guī)律；通過自主研發(fā)的干式空心電抗器溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)測量運行中的電抗器溫度，由對比分析表明計算值與實測值吻合良好。本文的研究成果能夠指導電抗器的溫度監(jiān)測布點，為定位電抗器的故障點提供理論基礎。1 流場-溫度場耦合數(shù)學模型本文采用流場-溫度場耦合的方法分析干式空心電抗器的溫度場分布，即在分析電抗器的熱傳導的同時，考慮周圍空氣流體對

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、動量守恒方程及能量方程。在圓柱坐標系中，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方程 17： （5）式中k為導熱系數(shù)，h為固體對流換熱系數(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分布。2 電抗器模型的建立本文對某變電站電容器組的三相串聯(lián)干式空心電抗器進行了仿真。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個包封組成（從內到外編號為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電抗器具有對稱性，因此建立了二維軸對稱模型，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，由于磁場和溫度場間為弱耦合的關系，因此在仿真時為了加快收斂速度，在仿真軟件COMSOL的一個仿真過程中，先在頻域中

12、求解電磁場，其次將解得的電磁熱直接耦合為熱源，進行流場-溫度場的計算。與傳統(tǒng)的仿真方法相比，該方法無需分別進行電磁場和流場-溫度場的兩個仿真過程，且無需在電磁場的仿真后人工計算電磁場熱，而是由軟件直接計算并進行耦合，簡化了仿真步驟，提高計算結果的精確性。在流場-溫度場的計算中，邊界條件的確定如下：(1)環(huán)境溫度為現(xiàn)場實驗某時刻的實際溫度32.5。(2)空氣域上邊界為流體出口，相對壓力為0，溫度為開邊界；右邊界為流體開邊界，相對壓力為0，溫度為環(huán)境溫度；下邊界為地面，流體相對速度為0，溫度為環(huán)境溫度；左邊界為軸對稱邊界。(3)電抗器包封表面為無滑移邊界條件，并添加邊界熱輻射，輻射率取0.9。3

13、仿真結果分析3.1三相電抗器溫度場分布三相疊裝式電抗器溫度場分布仿真結果如圖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。分別取三相電抗器的第三包封，對比研究其沿軸向上包封表面的溫度，分析結果如圖3所示。由圖可知，對于每相電抗器而言，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相似；對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/Fig.2 Temperature field of three three-phase rector圖3 各相包封溫度對比Fig.3 Temperature comparison of

14、 encapsulation in each phase之間。由傳熱學原理可知，電抗器周圍的空氣受熱后將會向上流動，聚集在電抗器高層的空氣溫度較高，圖2的仿真結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。這是由于電抗器周圍空氣受熱向上流動，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，導致上部散熱較差，溫度較高。包封底部至高度5%處的范圍內，湍流還沒有充分形成，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)測系統(tǒng)4.1 系統(tǒng)組成為了準確、實時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)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由溫度采集節(jié)點、采集終端、遠程監(jiān)控層組成，如圖5所示。其中，溫度采集節(jié)點的傳感器單獨設計和封裝，可探入氣道緊貼于干式空心電抗器包封的熱點表面；溫度采集節(jié)點與采集終端利用ZigBee的無線傳輸方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，避免電磁干擾，無需額外布線，便于節(jié)點的安裝與增加；基于物聯(lián)網(wǎng)的模式19,20，傳感器采集到的包封熱點數(shù)據(jù)由GPRS接入網(wǎng)絡云平臺，其優(yōu)點在于支持節(jié)點數(shù)量的大量擴展，便于設備的管理，并且能夠儲存大量歷史數(shù)據(jù)，便于大數(shù)據(jù)的分析和利用。網(wǎng)絡云平臺與上傳的數(shù)據(jù)通過

17、APIKey作為入網(wǎng)的鑒權碼，相互匹配和識別，通過分享應用的鏈接可以實現(xiàn)瀏覽器遠程訪問。通過對硬件和軟件的優(yōu)化設計，節(jié)點功耗僅為1uA、3.3V，測量精度為0.01，節(jié)點設備體積僅為33x36x8mm。根據(jù)前述仿真結果，指導溫度采集節(jié)點分別安裝于三相電抗器包封熱點處及軸向高度的中部，云平臺實時顯示包封節(jié)點的溫度，并對以下情形進行報警：（1）節(jié)點采集溫度大于設定的閾值；（2）單相電抗器中，中部采集節(jié)點溫度異常高于熱點溫度；（3）對于同一部位的采集節(jié)點，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)測系統(tǒng)總體結構Fig.5 Overall structure of on-line mo

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

19、ues相序測點仿真值/測量值/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仿真值和測量值的誤差3.5%內，且測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，電抗器運行時電流中含有系統(tǒng)諧波，仿真時未考慮諧波的影響，因此繞組實際產(chǎn)生的熱量較仿真值高?？傊抡嬷岛蜏y量值的皮爾遜相關系數(shù)21為0.95，兩者的相關性極強。5 結束語（1）應用有限元方法

20、對三相疊裝式干式空心電抗器進行了溫度場仿真。以電磁場計算所得的電磁熱作為熱源直接耦合到流場-溫度場的仿真中，得到了電抗器的溫度場分布。（2）總結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區(qū)域，包封熱點約位于高度的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）通過實驗測量值與仿真值進行比較，兩者誤差不超過3.5%，相關系數(shù)為0.95，說明仿真計算結果具備良好的準確性；仿真結果可以指導溫度采集節(jié)點的布置和作為溫度報警的依據(jù)。本文的研究成果能夠為干式空心電抗器溫度在線監(jiān)測提供理論支撐。參 考 文 獻順特電氣有限公司. 樹

21、脂澆注干式變壓器和電抗器M北京：中國電力出版社，2005：153-159.Sunten Electric Co., Ltd. Cast resin dry-type transformer and reactors M. Beijing, China: China Electric Power Press, 2005: 153-159. 于良中，方 偉，易兆林. 樹脂絕緣干式鐵心與空心電抗器的性能比較J. 高電壓技術，2004，30(08)：63-64.Yu Liangzhong, Fang Wei, Yi Zhaolin. Characteristic Comparison of Dry T

22、ype of Iron Core and Air Core Reactors J. High Voltage Engineering, 2004, 30(08): 63-64.李國欣，婁兆偉，李 浩. 一起電抗器發(fā)熱問題的分析與對策J. 電測與儀表，2017，54(10)：99-102.Li Guoxin, Luo Zhaowei, Li Hao. Analysis and countermeasure of a heating problem of reactor J. Electrical Measurement & Instrumentation, 2017, 54(10): 47-50

23、.郭 磊，龐 鍇，陳 瑞，等. 安裝工藝造成干式空心電抗器異常發(fā)熱分析J. 電力電容器與無功補償，2014，35(05)：70-74.Guo Lei, Pang Kai, Chen Rui, et al. Analysis of Abnormal Heat of Dry-type Air-core Reactor by Installation Process J. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2014, 35(05): 70-74.劉志剛，王建華，耿英三，等. 干式空心電抗器設計軟件開發(fā)與應用J. 電機與控制學報，2003，0

24、7(02)：103-106.Liu Zhigang, Wang Jianhua, Geng Yingsan, et al. Development and Application of Design Software of Dry-type Air-core Reactor J. Electric Machines and Control, 2003, 07(02): 103-106.夏天偉，曹云東，金 巍. 干式空心電抗器溫度場分析J. 高電壓技術，1999，25(04)：86-88.Xia Tianwei, Cao Yundong, Jin Wei. The Analysis of Tem

25、perature Field in Air Core Reactor J. High Voltage Engineering, 1999, 25(04): 86-88.張宇嬌，秦威南，劉文俊. 基于耦合場數(shù)值計算的電抗器通風結構改進J. 高壓電器，2014，50(08)：62-67.Zhang Yujiao, Qin Weinan, Liu Wenjun. Ventilation Structure Improvement of Reactor Based on Coupled Field Numerical Analysis J. High Voltage Apparatus, 2014,

26、50(08): 62-67.姜志鵬，周 輝，宋俊燕，等. 干式空心電抗器溫度場計算與試驗分析J. 電工技術學報，2017，32(3)：218-224.Jiang Zhipeng, Zhou Hui, Song Junyan, et al. Temperature Field Calculation and Experiment Analysis on Dry-Type Air-Core Reactor J. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(3): 218-224.葉占剛. 干式空心電抗器的溫升試驗與繞組溫升的計算

27、J. 變壓器，1999，36(9)：6-11.Ye Zhangang. Temperature Rise Test of Dry-Type Air-Core Reactor and Calculation of its Winding Temperature Rise J. Transformer, 1999, 36(9): 6-11.安利強，王璋奇，唐貴基. 干式電抗器三維溫度場有限元分析與溫升試驗J. 華北電力大學學報，2002，29(3)：75-78.An Liqiang, Wang Zhangqi, Tang Guiji. 3D-Temperature Field Prediction

28、 by FEM and Temperature-Rise Test for Dry-Type Air-Core Reactor J. Journal of North China Electric Power University, 2002, 29(3): 75-78.劉 凡，姚陳果，陳 凌，等. 基于有限元法電力變壓器繞組的短路電動力分析J. 電測與儀表，2016，53(04)：113-117.Liu Fan, Yao Chenguo, Chen Ling, et al. Short-circuit force analysis of power transformer winding b

29、ased on finite element method J. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(04): 113-117.劉旭光，顧小虎，于春雷，等. 基于有限元法的變壓器鐵芯優(yōu)化仿真J. 電測與儀表，2017，54(15)：18-22.Liu Xuguang, Gu Xiaohu, Yu Chunlei, et al. Optimization simulation of transformer iron core based on finite element method J. Electrical Measurem

30、ent & Instrumentation, 2017, 53(04): 18-22.王永強，鄭志宏，李建芳，等. 基于有限元法的高頻變壓器繞組損耗研究J. 電測與儀表，2016，53(15)：17-21.Wang Yonghong, Zheng Zhihong, Li Jianfang. Research on the winding losses based on finite element method for high frequency transformer J. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(15): 17

31、-21.有曉宇，穆海寶，董勤曉，等. 基于Fluent的35kV干式空心電抗器溫度場仿真分析J. 高壓電器，2017，53(8)： 147-152.You Xiaoyu, Mu Haibao, Dong Qinxiao, et al. Simulation Analysis on Temperature Field of 35 kV Dry-Type Air-Core Reactor Based on Fluent J. High Voltage Apparatus, 2017, 53(8): 147-152.劉航宇，劉 念，蒲麗娟，等.大截面電力電纜固定金具三維渦流場有限元分析J. 電測與儀

32、表，2016，53(06)：87-90.Liu Hangyu, Liu Nian, Pu Lijuan, et al. Analysis of 3D eddy current field of fixed cleat for large cross-section cable based on FEM J. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(06): 87-90.Zhang Yujiao, Huang Xiongfeng, Hu Gang, et al. Calculation of Temperature Rise in D

33、ry-Type Air-Core Reactor Using Strong Coupling of Fluid-Temperature Field J. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2013, 5(10): 2941-2945.姜志鵬，文習山，王 羽，等. 特高壓干式空心電抗器溫度場耦合計算與試驗J. 電機工程學報，2015，35(20)：5344-5350.Jiang Zhipeng, Wen Xishan, Wang Yu, et al. Test and Coupling Calculation of Temperature Field for UHV Dry-Type Air-Core Smoothing Reactor J. Proceeding of