陳 昱,張 寧,李惠專,何炳峰
(廣東電網有限責任公司中山供電局試驗研究所,廣東 中山 528400)
電力變壓器是電網的關鍵設備,運行狀態直接影響電網的安穩運行[1]。干式套管因具有無瓷、防爆等優點,廣泛應用于電網的變壓器設備中。廣東電網有限責任公司中山供電局最近發生多起干式套管絕緣劣化,引起介損和絕緣電阻異常。因此,必須定期對干式套管開展電氣試驗,檢測其絕緣狀態,以保證滿足運行要求,避免絕緣故障的發生[2]。
套管結構[3]如圖1所示。套管內部各部分溫度分布和外部環境溫度不同,溫度差異存在熱量交換形成熱流。傳播特性可分為熱傳導和熱輻射。熱傳導是指套管內部由于溫度分布差異而形成的熱量交換。熱輻射指套管與外部環境存在溫度差(主要是指套管內部溫度高于環境溫度)而向外部環境輻射熱量。
套管的溫度分布特性可等效為集總RC熱網絡模型,即套管內部可等效為熱阻R和熱容C串、并聯組成的熱網絡結構。此外,內部熱源可等效為恒熱流源,
圖1 套管結構及熱流分布
外部熱源可等效為恒溫源。根據套管結構和尺寸參數,相關的計算公式和關系為:
其中,Q1為導桿熱源;K為導桿趨膚效應折算系數;R為導桿電阻,與溫度相關;R0為20 ℃的電阻值;α20為電阻溫度折算系數;T為實際溫度;Q2為介質損耗熱源;U為導桿電壓;f為電壓波形頻率,工頻下為50 Hz;C為介質等效電容;tanδ為介質損耗角正切值,與溫度有關;tanδ20為20 ℃下的介質損耗角正切值;Rr為軸向熱阻,k為介質導熱系數,L為介質長度,r0為介質外半徑,r1為介質內半徑,Rl為徑向熱阻。
根據套管安裝結構和集總RC熱網絡模型,可得到干式套管的集總RC熱網絡模型如圖2所示。
圖2 干式套管集總RC熱網絡模型
其中Qi為內部總熱源,Ui為空氣和變壓器油組成的熱源,Ri為界面熱阻,Rji為軸向介質熱阻,Rji(i+1)為徑向介質熱阻,Rti為軸向傘裙熱阻,Rti(i+1)為徑向傘裙熱阻,Rfi為軸向法蘭熱阻,Rfi(i+1)為徑向法蘭熱阻,Cji、Cti和Cfi分別為套管介質、傘裙和法蘭的熱容。將套管進行n層分層劃分,根據集中RC熱網絡模型原理,各層網絡關系為:
將空氣和變壓器油的等效穩壓源轉換為實際溫度代入式(7)、式(8),即可根據實際分層劃分情況,計算出套管內部各分層劃分部分的平均溫度。
集總RC熱網絡模型可以算出網絡中各個節點的溫度值。因此,選擇套管導桿、套管介質中部和復合硅橡膠傘裙的溫度情況作為輸出變量,研究三個節點隨時間的溫升情況。對于式(7)、式(8)構成的矩陣方程,選擇牛頓-拉夫遜法求解。
為了驗證集總RC熱網絡熱模型計算結果的有效性和正確性,用有限元仿真的方法,在Anasys中以溫度-熱流耦合場對干式套管的溫度分布特性進行仿真研究。選取套管導桿、套管介質中部和復合硅橡膠傘裙為對象,獲取的溫升曲線如圖3所示。
圖3 集總RC熱網絡模型與有限元模型計算套管溫升對比
集總RC熱網絡模型和有限元模型的溫升情況基本一致,驗證了RC熱網絡模型計算套管內部溫度分布狀態的有效性。
基于集總RC熱網絡模型,針對干式套管內部溫度分布提出了一種簡便的計算方法,通過有限元仿真驗證了它的有效性。在已知環境溫度、變壓器油溫、變壓器負荷和變壓器運行電壓的條件下,根據計算精度需求,可以方便地計算套管內部的溫度分布情況,并以此作為套管介損和絕緣電阻數據的折算依據,獲取套管真實狀態的數據。