高壓全膜電容器熱穩(wěn)定性能試驗條件下的溫度場特性

王子建　嚴　飛　侯智劍　王崇祜　徐志鈕

(1.華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室　保定　071003 2.中國電力科學研究院　北京　100192　3.上海思源電力電容器有限公司　上海　201108)

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高壓全膜電容器熱穩(wěn)定性能試驗條件下的溫度場特性

王子建1嚴飛2侯智劍1王崇祜3徐志鈕1

(1.華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室保定071003 2.中國電力科學研究院北京1001923.上海思源電力電容器有限公司上海201108)

為了獲得高壓全膜電容器在熱穩(wěn)定性能試驗條件下外殼與內部的溫度分布，在Fluent15.0中建立了電容器溫度場仿真模型，并利用有限體積法進行了求解。仿真結果表明：對于電容器外殼，其小側面溫度較高，外殼最熱點在小側面，而電容器最熱點則位于靠近尾部的中軸線上。由于電容器內部結構復雜，導致電容器外殼表面溫度分布不均勻，并非規(guī)則的溫度升高或降低的趨勢，而是存在局部較熱的區(qū)域。為了驗證仿真模型的正確性，利用光纖光柵溫度傳感器及紅外成像儀分別對熱穩(wěn)定性能試驗條件下的電容器內部及外殼溫度進行了實際測量，實測與仿真結果基本吻合從而驗證了仿真模型的正確性。

高壓全膜電容器熱穩(wěn)定性能試驗溫度場計算流體動力學紅外成像

0　引言

高壓并聯(lián)電容器[1，2]在電力系統(tǒng)中起著補償無功功率[3-5]、減少損耗和維持電壓穩(wěn)定[6，7]的作用，是電力系統(tǒng)中重要的電氣設備。電容器要求具有較高比特性、低介損、高性價比及長壽命。考慮到這些要求，目前高壓全膜電容器是高壓并聯(lián)電容器中的主要類型[8]。

在選擇合適的材料、結構、加工工藝和工作場強后，電擊穿[9]和電老化[10]受到了抑制，對電氣設備壽命的影響較小，電氣設備壽命主要由其絕緣材料的熱老化決定[11]。高壓全膜電容器絕緣材料主要由聚丙烯薄膜、芐基甲苯和絕緣紙組成，其中固體絕緣材料在耐熱等級上都屬于A級材料[11]，耐熱能力較差。因此，研究電容器在運行情況下的溫度分布對于電容器的優(yōu)化設計和運行維護都具有重要意義。

目前關于高壓全膜電容器在運行情況下的溫度分布主要通過實驗[12]或仿真[13-15]的手段獲得，相關研究文獻較少。文獻[13]基于發(fā)熱與散熱的平衡，根據(jù)電容器散熱系數(shù)和有效散熱面積探討了移相電容器外殼溫升以及最熱點溫升與外殼尺寸的關系，比較了立放與平臥時電容器的外殼溫升，獲得了電容器外殼溫升和心子最高溫升的計算方法，促進了電容器溫升研究的進步。但該方法更適合于最大溫升的估計，不能獲得整個溫度場的分布，且缺乏實驗的進一步驗證。文獻[14，15]將外殼溫度假設為某值后根據(jù)發(fā)熱與散熱的平衡，獲得了外殼最熱點溫度與電容器內部最熱點溫度的估算公式，根據(jù)該公式僅需要知道電容器容量、介損、尺寸和環(huán)境溫度即可得到外殼和內部最熱點溫度。該方法較之文獻[13]簡單易行，便于現(xiàn)場工程人員掌握，但不足之處是不能獲得電容器內部的溫度分布，且經(jīng)過一系列簡化后準確性下降。除了高壓全膜電容器，也有文獻針對自愈式電容器[16，17]和超級電容器[18，19]溫度場分布開展過研究。文獻[16]應用傳熱學的基本原理給出了交流電壓作用下自愈式電容器內部最熱點溫度與環(huán)境溫度之間的溫差計算公式。文獻[17]研究了自愈式電容器在重復頻率脈沖情況下的溫升情況。文獻[18]采用計算流體力學建立并求解了超級電容器的溫度場模型，并用實驗結果進行了驗證。綜上所述，目前關于高壓全膜電容器溫度場的仿真及實驗研究還相對較少，且大多是經(jīng)過一系列簡化的估算，并沒有建立詳細的仿真模型進行計算，詳細模型的建立是目前高壓全膜電容器溫度場仿真建模中的難點。總之，如何建立完善的電容器溫度場仿真模型，并進行實驗驗證是目前需要解決的關鍵問題。

本文利用有限元軟件ANSYS建立了高壓全膜電容器溫度場仿真模型[20]，并對其熱穩(wěn)定試驗條件下的溫度場分布進行了仿真分析，為了驗證仿真模型的正確性，利用光纖光柵溫度傳感器及紅外成像儀對電容器內部及外殼溫度進行了實際測量，為大容量電容器的優(yōu)化設計及溫度預測提供參考。

1　電容器溫度場計算滿足的方程及有限體積法

高壓全膜電容器由聚丙烯薄膜、鋁箔、絕緣紙、浸漬劑以及電容器外殼等固體和液體材料組成。電容器溫度場分布的計算并非單一場問題，而是流-固-熱耦合場問題[21-24]。目前針對流-固-熱耦合場問題的數(shù)值求解方法已經(jīng)比較成熟，廣泛應用于核電站[21]、飛機及火箭發(fā)動機[22]、液壓閥[23]和水輪發(fā)電機[24]等溫度場的求解。

流-固-熱耦合場溫度分布求解應滿足相應的控制方程。電容器中熱的傳遞方式有內部介質的傳導和對流及外殼與空氣的輻射和對流。外殼部分對溫度分布的影響可通過后續(xù)的邊界條件表征，在此主要介紹內部的熱傳導和熱對流所對應的控制方程。笛卡爾坐標系下微分形式的熱傳導方程[24，25]為

(1)

式中，ρ、cp和T分別為微元體的密度、比熱容和溫度；t為時間；div為散度算子，該算子返回標量；λ為導熱系數(shù)；grad為梯度算子，該算子返回矢量；Φ為單位體積的發(fā)熱率，即發(fā)熱密度。

電容器浸漬劑的對流散熱比傳導散熱更加復雜，需要滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒[25，26]。笛卡爾坐標系下微分形式的守恒方程如式(2)～(8)所示，其中式(2)為質量守恒方程，式(3)～(5)為動量守恒方程，式(6)為能量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ST=Φ+φ

(7)

(8)

式中，v為流體速度；vx、vy和vz分別為v在x、y和z軸方向上的分量；η為運動黏度，也稱動量擴散系數(shù)；p為壓強；Fx、Fy和Fz分別為單位質量上的質量力在x、y和z軸方向上的分量；ST為源項；φ為由于黏性作用機械能中轉換為熱能部分，稱為耗散函數(shù)；μ為黏性系數(shù)，又稱動力黏度；x、y和z分別為點在笛卡爾坐標系下的3個坐標軸對應的坐標值。

電容器溫度達到穩(wěn)定值后傳遞到外殼的熱量必須與外殼通過輻射和對流方式的散熱量保持平衡，耦合場仿真時電容器外殼上的邊界條件[24]為

(9)

式中，Γ為電容器外殼；TA為環(huán)境溫度；TS為電容器外殼溫度；α為電容器外殼輻射系數(shù)；n為電容器外殼上外法線方向的單位矢量；σ為斯特藩-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為電容器外殼的輻射系數(shù)，也稱黑度，其值恒小于1，與外殼材料及表面狀態(tài)有關。

有限體積法是目前計算流-固-熱耦合場最常見和有效方法之一。有限體積法的原理為：①對計算域進行網(wǎng)格劃分；②將流動傳熱的非線性偏微分方程轉變?yōu)榫W(wǎng)格單元上積分形式的守恒方程；③對積分形式的守恒方程應用高斯散度公式得到控制體邊界形式的積分守恒方程；④通過應用SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquation)、SIMPLEC(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquation-Consistent)和PISO(Pressure-ImplicitwithSplittingofOperators)等算法分離求解出溫度場、流場和濃度場等各場在計算域內的分布。

2　高壓全膜電容器溫度場仿真建模

2.1仿真對象

本文以BAM6.56-556-1W型特高壓工程用高壓全膜電容器為研究對象，額定電壓為6.56kV，額定電流為84.76A，額定容量為556kvar，額定電容為41.1μF。根據(jù)實測獲得高壓全膜電容器在高溫下的介損約為0.15‰。電容器由電容器心子、外殼、套管和其他附屬件組成，其整體結構如圖1a所示。電容心子由54個電容器元件通過串、并聯(lián)組成，內部分為3個串聯(lián)段，每個串聯(lián)段由18個元件通過內熔絲并聯(lián)組成，每一個串聯(lián)段都并聯(lián)有放電電阻。電容器元件由一定厚度和層數(shù)的固體絕緣介質(聚丙烯薄膜)與鋁箔電極卷繞而成。在電容器靠近套管側有較大的油隙，對于電容器元件的圓弧側，由于該處導熱系數(shù)的各向異性，與電容器元件主體不同，建模時要特殊處理。因此，本文建立一層厚度為圓弧半徑一半的長方體模擬圓弧部分，其參數(shù)與電容器元件等效的材料屬性相同，但導熱系數(shù)在各個方向上不盡相同。元件與元件之間有電纜紙，串與串之間有絕緣紙板，在電容器心子端部有絕緣紙板，電容器心子外面是整體的電纜紙，電纜紙外面是整體的浸漬劑(芐基甲苯)。電容器在熱穩(wěn)定性能試驗時相關面及關鍵傳感器的布置示意圖如圖1b所示。圖1b中也給出了建模中使用的坐標系。

圖1　高壓全膜電容器及其示意圖Fig.1　The schematic diagram of high voltage film capacitor

高壓全膜電容器在實際運行中多采用側臥或平臥的布置方式，而熱穩(wěn)定性能試驗時一般采用立放的布置方式。本文主要研究電容器在熱穩(wěn)定性能試驗條件下的內部及外殼溫度分布，因此建模時電容器采用立放的方式，至于側臥和平臥方式下的溫度分布也可以采用與本文相同的方法進行分析，其建模方法是通用的。

2.2熱量的產(chǎn)生和散失

電容器內部損耗主要分為聚丙烯薄膜的介質損耗、電極損耗以及放電電阻損耗，其中聚丙烯薄膜的損耗占很大比重。由于聚丙烯薄膜和鋁箔電極在電容器元件內部分布比較均勻。因此，對于電容器溫度場仿真來說，可以近似認為電容器元件是一個均勻發(fā)熱體。通過紅外成像儀觀察，電容器外殼放電電阻對應處溫度較高，相比其他區(qū)域高5～6 ℃，但影響區(qū)域較小，范圍比較集中，且距離電容器內部最熱點較遠，對最熱點溫度影響不大。而本文主要關心的是內部最熱點溫度及外殼的主體溫升。因此，建模時不考慮放電電阻及發(fā)熱，將相應發(fā)熱量從介損中減去。根據(jù)電容器實測的介質損耗大小定義統(tǒng)一的發(fā)熱密度。

高壓全膜電容器的產(chǎn)熱和散熱過程是后續(xù)建模和分析的前提，其基本過程如下：電容器元件產(chǎn)生的熱量由元件內部傳導到元件外部，經(jīng)過絕緣紙及浸漬劑主要以熱傳導的方式散出；心子附近的熱油經(jīng)對流散熱將熱量傳到電容器外殼的內表面；電容器外殼內表面的熱量通過熱傳導的方式傳遞到外表面；最后全部的熱量都以對流散熱和輻射散熱的方式散失到空氣中。

電容器的發(fā)熱密度計算如下：放電電阻的發(fā)熱功率16.735 3W，心子體積為0.047 5m3，仿真考慮施加電壓為1.2Un，Un為電容器額定電壓，結合2.1節(jié)電容器參數(shù)得到1.2倍額定電壓下電容器心子的發(fā)熱密度為2 021W/m3。

2.3仿真建模及網(wǎng)格劃分

建立的BAM6.56-556-1W型電容器溫度場三維仿真模型如圖2所示。

圖2　高壓全膜電容器溫度場仿真模型Fig.2　Thermal simulation model of high voltage film capacitor

網(wǎng)格劃分是有限元仿真分析的關鍵，網(wǎng)格質量的好壞直接關系到仿真的時間以及仿真結果的準確性。高壓全膜電容器體積雖然不大，但由于其內部結構復雜，因此一定要控制好網(wǎng)格劃分的質量，劃分太粗會導致誤差增大，劃分太細則計算時間過長。由于電容器內部結構較為規(guī)則，故采用掃略方式將其劃分成高質量的六面體網(wǎng)格，設置網(wǎng)格大小小于5mm，以保證網(wǎng)格質量。最終得到電容器心子及整體網(wǎng)格劃分結果如圖3所示，單元總數(shù)為700 416個，節(jié)點總數(shù)為731 679 個。

圖3　高壓全膜電容器模型網(wǎng)格劃分Fig.3　Meshed model of high voltage film capacitor

3　仿真結果及分析

采用HPZ820工作站(雙CPU，IntelXeonE5-2660，16核，32G內存)進行并行求解，得到仿真結果。

3.1電容器外殼溫度分布

根據(jù)上述邊界條件，在Fluent15.0中輸入材料參數(shù)，然后利用有限體積法進行求解。材料參數(shù)中最為關鍵的是熱傳導、對流和輻射的相關系數(shù)。對于聚丙烯薄膜、鋁箔、油浸絕緣紙、外殼和浸漬劑(芐基甲苯)需要給出導熱系數(shù)。以上材料較為常見，可通過查詢相關手冊獲得。其中芐基甲苯的導熱系數(shù)隨溫度變化明顯，需要給出其不同溫度下的取值。電容器元件由聚丙烯薄膜、鋁箔和芐基甲苯構成，其導熱系數(shù)是不同材料處于并聯(lián)或串聯(lián)情況下計算得到的合成值[26]。外殼需要設定其輻射系數(shù)和對流換熱系數(shù)。前者為常見材料可方便查得，電容器外殼表面對空氣的對流換熱系數(shù)的計算參考文獻[26]。

圖4　電容器外殼溫度分布仿真結果Fig.4　Simulated temperature distributions on capacitor shell surfaces

在計算過程中觀察計算結果的收斂情況，經(jīng)過100 000次迭代之后溫度場趨于穩(wěn)定，電容器外殼溫度分布云圖如圖4所示。為了更好展現(xiàn)不同點溫度的分布規(guī)律，在Fluent15.0中導出各個面上所有點坐標及對應的溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入MATLAB后計算獲得各面上溫度的統(tǒng)計結果見表1。表1中Tmin、Tmax和Tmean分別表示以上各面溫度的最小值、最大值和平均值。

表1　外殼各面溫度的統(tǒng)計值Tab.1　Statistics results of surface temperatures ofcapacitor shell

同時由圖4可知，電容器外殼溫度分布有很強的不均勻性，溫度升高或降低的趨勢并非有規(guī)則，而是存在某些局部較熱的區(qū)域。分析認為原因是電容器內部結構復雜，同時電容器油流動比較復雜，導致發(fā)熱均勻性較差。外殼最高溫度為64.73 ℃，位于小側面。比較圖4d與圖4e可知，當電壓為1.2Un，環(huán)境溫度為55 ℃，且電容器立放時，整體上看小側面(X=0mm)溫度要高于大側面(Y=0mm)。由表1可知小側面的最高溫度和平均溫度比大側面對應值分別高0.35 ℃和1.09 ℃。分析認為，這是由于電容器元件在小側面方向的熱阻更小的緣故。比較圖4b與圖4c可知，整體上看，電容器頭部溫度低于尾部溫度，由表1可知頭部(Z=1 050mm)的最高溫度和平均溫度比尾部(Z=0mm)對應值分別低1.45 ℃和1.71 ℃。頭部與尾部溫度的相對高低主要由兩個因素起作用：高溫油密度更輕，上浮導致頭部溫度變高；心子尾部與外殼之間的油間隙更窄，油散熱能力更差導致尾部溫度更高。顯然后一種因素影響更大。

由表1可知，兩個小側面溫度分布基本一致，兩個大側面亦如此，這與它們存在對稱性的實際情況相吻合。

3.2電容器心子溫度分布

電容器心子表面溫度分布如圖5所示，心子各面溫度統(tǒng)計值見表2。

對電容器心子在X、Y和Z軸方向上做剖面，結果如圖6所示，其中油隙1和油隙2為XY剖面，其Z軸坐標分別距離尾部和頭部2.5mm。各個剖面溫度統(tǒng)計結果見表3。

圖5　電容器心子溫度分布仿真結果Fig.5　Simulated temperature distributions on capacitor core surfaces表2　心子各面溫度的統(tǒng)計值Tab.2　Statistics results of various surface temperatures ofcapacitor core

心子各面Tmin/℃Tmax/℃Tmean/℃小側面,X=5.5mm64.3367.6467.21大側面,Y=8.35mm64.0767.3166.69尾部,Z=9.5mm65.1066.2265.94頭部,Z=991.9mm64.0765.2865.08

圖6　電容器心子和油隙剖面溫度分布仿真結果Fig.6　Simulated temperature distributions on different cross- sections of capacitor core and oil clearance表3　各剖面溫度的統(tǒng)計值Tab.3　Statistics results of temperatures on differentcross-sections of capacitor core and oil clearance

各剖面Tmin/℃Tmax/℃Tmean/℃X=171.5mm64.0769.2268.59Y=89mm64.3369.2268.58Z=166.5mm66.5369.268.73Z=175.5mm63.1569.1967.11Z=814.5mm66.2268.7168.21Z=823.5mm66.1768.768.19油隙163.6565.264.69油隙262.1763.4662.73

由圖5和表2可知，當電壓為1.2Un，環(huán)境溫度為55 ℃，且電容器立放時，電容器心子的幾個表面中小側面的溫度最高，頭部和尾部的溫度明顯要低于其他各面溫度。心子各面中心區(qū)域的溫度明顯高于外邊緣的溫度。比較圖5b和圖5c可知，心子尾部溫度略高于頭部。這些規(guī)律與3.1節(jié)外殼溫度計算結果基本吻合。

比較圖5和圖6可知，電容器心子內部溫度高于邊緣及外表面溫度5 ℃左右。比較圖6c與圖6d、圖6e與圖6f可知，元件大部分區(qū)域的溫度與元件之間絕緣紙的大部分區(qū)域溫度幾乎相等。比較圖6g與圖6h可知，尾部附近油隙的最高溫度和平均溫度明顯高于頭部附近油隙，前者比后者均高1 ℃多。

進一步分析得到電容器內部最高溫度為69.22 ℃，比外殼最高溫度64.73 ℃高4.49 ℃。最高溫度在靠近電容器尾部的中軸線上，與尾部距離為電容器高度的0.1倍左右，具體坐標為(171.50，89.00，120.90)mm。

外殼大側面距離頭部1/3高度處溫度變化范圍為62.42～64.36 ℃，它與電容器的最高溫度69.22 ℃差距為4.86～6.80 ℃。與目前試驗時根據(jù)經(jīng)驗將外殼大側面距離頭部(圖4)三分之一處的溫度加上5～10 ℃作為最熱點溫度這一情況基本吻合。

4　實驗驗證

4.1實驗方案

為了驗證仿真模型的準確性，加工了BAM6.56-556-1W型特高壓工程用高壓全膜電容器試品，并在試品內部和外表面放置了光纖光柵溫度傳感器，光纖光柵溫度傳感器的型號為FST1233SS型，利用高精密低溫恒溫水槽對其進行標定，將標定后的5只傳感器置于電容器外表面，并將剩余的傳感器預埋進電容器內部。電容器外殼及中軸線上光纖光柵溫度傳感器的布置如圖1b所示，試驗變壓器實物如圖7所示，熱穩(wěn)定性能試驗用恒溫箱及高壓全膜電容器試品如圖8所示。在熱穩(wěn)定性能試驗中用光纖光柵溫度傳感器和紅外成像儀對電容器外殼及內部關鍵點的溫度進行了測量。

圖7　試驗用變壓器Fig.7　The used test transformer

圖8　恒溫箱及電容試品Fig.8　Thermostat and manufactured capacitors in the thermal stability test

該試驗遵循國標GB/T11024.1—2010[27]的相關規(guī)定。將試品置于封閉恒溫箱中，恒溫箱的尺寸為2.2m×1.8m×2.3m，在試驗過程中，試品的兩側擺放相同型號的電容器作為陪試單元，施加相同的電壓。試驗中首先開啟恒溫箱進行加熱，當電容器單元各部分溫度到達設定的溫度后，給試品及陪試品加電，經(jīng)過48h后，在6h內連續(xù)測量4次電容器外殼溫度，測點選擇靠近電容器頂部，當連續(xù)4次測量結果的增量不超過1 ℃時，認為電容器內部溫度分布已經(jīng)穩(wěn)定，此時記錄內部溫度相關數(shù)據(jù)。

4.2實驗結果及分析

選擇實測溫度的典型值與對應的仿真結果進行比較。以電容器中軸線的5個光纖光柵傳感器Z軸坐標作為橫坐標，仿真及測量得到溫度如圖9a所示。電容器外殼5個光纖光柵傳感器的測量結果及對應的仿真結果如圖9b所示，傳感器布置如圖1b所示。

由圖9a可知，仿真與實測所得最高溫度的差距僅為1.39 ℃。實測得到中軸線上最高溫度更靠近尾部，這與仿真結果也基本吻合。另外整體變化趨勢基本吻合，即從電容器頭部開始隨著Z軸坐標的增加溫度逐漸上升，到達最高點后溫度又逐漸下降。從平均溫度上看，仿真結果為68.50 ℃，實測結果為65.86 ℃，二者差距為2.64 ℃，較之電容器近15 ℃的溫升，誤差小于20%。電容器老化情況及壽命與最熱點溫度密切相關，而本文仿真得到的最熱點溫度與真實值差距不大，雖然仿真結果在平均溫度上有一些偏差，但從工程角度考慮基本可以接受。

電容器外表面5個傳感器(圖9b)實測溫度在57.94～61.15 ℃范圍內變化。對應位置仿真溫度在62.41～64.21 ℃范圍內變化，差距大致為2.93～4.78 ℃，均值為3.64 ℃。電容器表面?zhèn)鞲衅鳒y量結果與數(shù)值計算結果的差距略為偏大且實測值偏小。這是因為傳感器的一側與溫度更低的空氣直接接觸，導致電容器上測得溫度比實際溫度偏小。

圖9　仿真和實測溫度對比Fig.9　Simulated and measured temperatures at some key points

試驗結束后瞬間采用Testo882型紅外成像儀拍攝得到紅外和可見光圖像如圖10所示。該紅外成像儀的測溫精度為±2 ℃，熱靈敏度小于0.05 ℃，發(fā)射率設置為0.9。圖10中有多個電容器，電容試品處在中間位置，左右為陪試電容。

圖10　熱穩(wěn)定性能試驗時電容器紅外及可見光圖像Fig.10　Infrared thermal images and visible light images

由圖10可知，在熱穩(wěn)定性能試驗條件下高壓全膜電容器的溫度分布存在如下規(guī)律：①由于電容器內部結構復雜，發(fā)熱均勻性較差，因此導致電容器外殼表面溫度分布不均勻，并非規(guī)則的溫度升高或降低的趨勢，而是存在局部較熱的區(qū)域；②從總的趨勢來看，外殼中側面溫度最高，要高于頭部(圖10)的溫度。由紅外成像儀測量得到外殼最高溫度約為66.8 ℃，與仿真結果64.73 ℃(見圖4a和表1)差距不是很大，為2.07 ℃。原因如下：①圖10紅外圖像中大側面最熱點均由于放電電阻導致，不考慮放電電阻后溫度差距會有所下降(仿真時不考慮放電電阻)；②實驗中存在陪試電容器會導致溫度更高些，不考慮陪試試品實際上試品電容的外殼最高溫度可能會比66.8 ℃略低些，則仿真與試驗的差距可能會更小。

根據(jù)仿真所得數(shù)據(jù)不僅可確定高壓全膜電容器內部及外殼溫度場分布、最熱點溫度及位置，還可以為高壓全膜電容器在不同工況下的溫度預測提供參考。利用本文給出的電容器溫度場等效建模方法以及電容器元件、心子、浸漬劑及絕緣紙的等效處理方式可以對該型號電容器在不同工況下的溫度場分布進行仿真計算，這樣得到大量不同工況下的電容器外殼和內部溫度數(shù)據(jù)。分析這些數(shù)據(jù)獲得外殼上與內部最熱點溫度密切相關的關鍵點，獲得這些關鍵點溫度與最熱點溫度，從而建立起外殼關鍵點溫度與內部最熱點溫度之間的映射?；谠撚成溆型@得根據(jù)外殼溫度預測電容器最熱點溫升的方法。

另外，由仿真及實驗結果可知，心子內部溫度分布并不均勻，心子最高溫度比其最低溫度高5 ℃多。考慮到高壓全膜電容器熱老化滿足8 ℃規(guī)則[28]，溫度增加5 ℃后壽命減少為原來的0.65倍。也就是說同一個電容器元件中不同位置的老化壽命差別很大。因此，根據(jù)仿真得到電容器心子溫度分布可以考慮在溫度較高的區(qū)域采用耐高溫薄膜卷繞元件，這樣心子不同區(qū)域的熱老化壽命比較一致，有望延長高壓全膜電容器的使用壽命。

5　結論

本文以BAM6.56-556-1W型特高壓工程用高壓全膜電容器為研究對象，在Fluent15.0中建立了高壓全膜電容器在熱穩(wěn)定性能試驗條件下的溫度場仿真模型，并利用有限體積法計算獲得了電容器外殼與內部溫度分布并與采用光纖光柵溫度傳感器和紅外成像儀實測得到的電容器溫度結果進行了對比。研究結果如下：

1)電容器外殼最熱點溫度集中在電容器小側面上，電容器內部最高溫度在靠近電容器尾部的中軸線上。

2)實驗證明本文給出的高壓全膜電容器溫度場仿真建模方法切實可行，但實驗的重復性還有待進一步驗證。

3)考慮到仿真計算結果與實驗結果較為吻合，后續(xù)可以利用該仿真模型對不同結構、不同容量的電容器內部最熱點溫度進行準確計算，同時也可以為電容器的優(yōu)化設計，延長使用壽命提供參考。

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Thermal Field Characteristics of High Voltage Film Capacitors in Thermal Stability Test

Wang Zijian1Yan Fei2Hou Zhijian1Wang Chonghu3Xu Zhiniu1

(1.HebeiProvincialKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipmentSecurityDefenseNorthChinaElectricPowerUniversityBaoding071003China2.ChinaElectricPowerResearchInstituteBeijing100192China3.ShanghaiSiyuanElectricPowerCapacitorCo.LtdShanghai201108China)

Toobtainthetemperaturedistributionsontheshellandinthecoreofhighvoltagefilmcapacitorsinthethermalstabilitytest，athermalfieldmodelforhighvoltagefilmcapacitorsisformulatedinFluent15.0andsolvedbasedonthefinitevolumemethod.Theresultsrevealthatthesidesurfaceishigherthanothersurfacesontheshellandthehottestspotonthecapacitorshellislocatedonthesidesurface.Thehottestspotintheentirecapacitorislocatedonthecentralaxisofthecapacitorclosetothetailpart.Thetemperaturedistributionsonthecapacitorshellarenon-uniform.Becauseofcomplexityofcapacitorstructure,thetemperaturedoesnotalwaysincrease/decreasemonotonically.Andthereareseverallocalhotspots.Afibergratingcapacitortemperaturemonitoringsystemandaninfraredthermalimagerareusedtomeasurethetemperaturesofsomekeypointsontheshellandintheinteriorofahighvoltagefilmcapacitorrespectivelyinthethermalstabilitytest.Themeasuredresultsarequalitativelyandquantitativelyconsistentwiththesimulatedresults.

Highvoltagefilmcapacitor，thermalstabilitytest，thermalfield，computationalfluiddynamics，infraredimaging

2015-07-21改稿日期2016-05-11

TM53

王子建男，1981年生，博士，講師，研究方向為電力電容器與無功補償。

E-mail：electricpower@163.com

徐志鈕男，1979年生，博士，副教授，研究方向為電力電容器建模及性能優(yōu)化、光纖傳感及在電力系統(tǒng)中的應用和電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等。

E-mail：wzcnjxx@sohu.com(通信作者)

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2015MS92)。