干式空心電抗器溫度場仿真計算及試驗分析

岳永剛，格日勒圖，周廣東

（1.內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080；2.山東泰開電力電子有限公司，泰安 271000）

0 引言

干式空心電抗器具有損耗小、噪音低、維護(hù)簡單、電抗值線性度好等優(yōu)點(diǎn)，多年來在電網(wǎng)中應(yīng)用越來越廣泛，變電站低壓側(cè)并聯(lián)電抗器普遍采用此類設(shè)備。近幾年國內(nèi)各網(wǎng)省公司發(fā)生大量干式電抗器匝間擊穿、燒損事故。無論是進(jìn)口的還是國產(chǎn)的空心電抗器，從在電網(wǎng)中的使用和維護(hù)來看，運(yùn)行一段時間后，都不同程度地出現(xiàn)局部過熱，再發(fā)展成匝間短路、燒損，甚至起火的問題，引起了電網(wǎng)、生產(chǎn)企業(yè)和研究者的高度重視?？招碾娍蛊鞯膿p耗與溫升分布等相關(guān)研究受到越來越多的關(guān)注。西安交大劉志剛等基于耦合方法對干式空心電抗器溫度場分布進(jìn)行研究，仿真與試驗給出了某型號電抗器的最熱點(diǎn)溫升在電抗器的上端，并給出了三個包封內(nèi)表面的對流系數(shù)分布[1]。沈陽工業(yè)大學(xué)夏天偉等根據(jù)電抗器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在不同部位采用不同的局部換熱系數(shù)，利用熱力學(xué)原理建立了溫度場微分方程，對干式空心電抗器溫度場進(jìn)行了分析，計算表明包封內(nèi)寬度一定時，繞組溫度最高點(diǎn)位于中間偏上的位置，溫度最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差10℃。電抗器最高溫升比平均溫升高20～40℃[2]。國內(nèi)外研究主要集中在干式空心電抗器溫度分布，但對于包封內(nèi)各層電磁線之間以及和包封表面之間的溫升情況，以及各包封沿軸向的溫升分布，電抗器平均溫升和最熱點(diǎn)溫升的關(guān)系等方面還缺少相關(guān)分析研究[1-8]，而這些問題是電抗器設(shè)計、運(yùn)行過程中最為關(guān)心的方面。尤其缺乏電抗器溫度分布與電抗器匝間絕緣狀態(tài)診斷研究。

針對上述問題，分別采用仿真分析的方法，并由試驗進(jìn)行驗證，解決下面兩方面問題：（1）找出包封內(nèi)部軸向溫度變化規(guī)律，為最熱點(diǎn)溫度的測量提供依據(jù)；（2）找出包封內(nèi)部導(dǎo)線之間以及包封絕緣厚度與溫升之間的關(guān)系，為絕緣的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

通過一年的肥效對比試驗數(shù)據(jù)積累、比較可以看出：肥料合理配比和提高肥料利用率是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵，使用配方專用肥是解決這一問題的有效手段，同時可以改善土壤養(yǎng)分供給，滿足作物對養(yǎng)分的需求，從而達(dá)到增產(chǎn)增收的目的，因此，建議在今后的生產(chǎn)中應(yīng)推廣專用配方肥[2]。

應(yīng)用SPSS18.0統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，計量資料用（± s）表示，組間比較采用t檢驗，計數(shù)資料用n（%）表示，組間比較采用χ2檢驗，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

1 仿真分析

采用流固體耦合傳熱+輻射傳熱的模型，同時考慮固體熱傳導(dǎo)、空氣熱傳導(dǎo)、空氣對流以及電抗器表面的輻射，考慮干式電抗器軸對稱結(jié)構(gòu)，建立如下電抗器的二維幾何模型，如圖1所示。

設(shè)置聚酯薄膜的熱導(dǎo)率為0.2W/m·K，玻璃絲和樹脂復(fù)合后的熱導(dǎo)率為0.3 W/m·K，鋁本身的熱導(dǎo)率為200 W/m·K，但考慮到建模時將所有匝數(shù)的電磁線當(dāng)作一個等效（等截面積）矩形進(jìn)行建模，因此考慮徑向的復(fù)合熱導(dǎo)率即為鋁的熱導(dǎo)率200 W/m·K，軸向的復(fù)合熱導(dǎo)率根據(jù)線徑的不同分別為1.8835，1.0948，1.1443 W/m·K。

仿真計算本身是試驗的一種手段，是實體試驗的具體補(bǔ)充，但仿真計算結(jié)果也只有經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證，才具有實際應(yīng)用的意義。

圖1 電抗器導(dǎo)線及包封建模圖

給電抗器施加1.35倍額定電壓和1.35倍額定電流，得出電抗器的溫升。

圖2 電抗器整體溫升分布圖

圖3 電抗器上端溫升分布圖

2 試驗分析

（2）第二包封，即中間包封在包封的中段仿真計算與試驗數(shù)據(jù)匹配最好，在上端受探頭布點(diǎn)的影響，不能得出仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)變化在最熱點(diǎn)附近趨勢是否一致的結(jié)論，關(guān)鍵點(diǎn)位置兩者的溫差同樣小于3K；

圖4 探頭布置方式示意圖

徑向探頭分別放置在包封內(nèi)絕緣中間、第一層線的絕緣外側(cè)、第二層線絕緣外側(cè)、…、包封外絕緣中間，各探頭之間允許沿周向存在偏移，以利于探頭的布置。軸向探頭分別放置在包封中間電磁線的外側(cè)，探頭距離上端的距離約60mm，考慮電抗器的上半部分溫升梯度較大，為主要關(guān)注和分析的目標(biāo)，探頭之間的距離為30mm，下半部分探頭之間的距離為60mm。

電抗器的表面輻射吸收系數(shù)為0.95。得出的電抗器及其周圍的溫度場分布如圖2-圖3所示：

仿真計算x=1200mm的徑向溫度分布，包封內(nèi)部導(dǎo)線之間的溫升差別較小，本例中包封內(nèi)的溫升差別在1℃以內(nèi)。溫度沿絕緣浸膠玻璃絲的徑向分布具有較大的梯度。由于自然對流的作用，氣道內(nèi)部溫度也具有較大的梯度，其中，氣道中間的溫度接近室溫，溫升約為5K，針對此規(guī)格小容量產(chǎn)品設(shè)計，當(dāng)前氣道寬度略寬，寬度設(shè)計優(yōu)化是后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計的方向之一。仿真結(jié)果如圖5所示。

為民之心是初心，一切為了群眾，群眾就是一切。為保障轄區(qū)居民餐桌飲食安全，2015年，江岸區(qū)食藥監(jiān)局摸索出農(nóng)貿(mào)市場蔬菜農(nóng)殘檢測新模式，成為全市“吃螃蟹第一人”。局黨組以民為本，找準(zhǔn)第三方檢測破局破題，充分激活檢測潛力，收獲監(jiān)管紅利。

2.1 仿真結(jié)果有效性分析

房顫是由于心房活動不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致心房舒縮功能受損的一種快速室上性心律失常，可誘發(fā)腦卒中、心力衰竭、外周血管栓塞及心肌缺血等并發(fā)癥，對患者的生活質(zhì)量造成不利影響，永久性房顫與非永久性房顫相比，并發(fā)癥更為嚴(yán)重，預(yù)后效果更差，故而有必要加強(qiáng)對永久性房顫因素的控制，降低非永久性房顫進(jìn)展為永久性房顫的風(fēng)險[1] 。血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）受體拮抗劑、他汀類藥物為常用藥物，聯(lián)合應(yīng)用可對房顫起到綜合防治作用[2] 。本研究旨在探討纈沙坦聯(lián)合氟伐他汀治療高血壓合并非永久性房顫對房顫負(fù)荷、心率及預(yù)后情況的影響。現(xiàn)報道如下。

圖5為x=1200mm，即線圈上端徑向溫升分布的對比圖，從仿真計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的匹配情況來看，仿真計算結(jié)果與實測溫升數(shù)據(jù)比較一致，但在不同的包封體現(xiàn)不同的特點(diǎn)。首先，在最內(nèi)和最外包封，仿真計算的溫升結(jié)果偏大約5K，這與最內(nèi)和最外包封散熱條件較好，軟件本身對輻射散熱考慮不足有較大的關(guān)系，此偏差在工程設(shè)計和測量范圍內(nèi)，模型的優(yōu)化留待后續(xù)研究；其次，中間包封仿真計算溫升與試驗溫升完全一致，證明了材料參數(shù)、仿真計算模型的有效性，仿真計算結(jié)果完全可用來指導(dǎo)工程設(shè)計。

圖5 x=1200mm處電抗器徑向溫度分布對比

第一包封第二層線外側(cè)軸向溫升仿真結(jié)果和試驗結(jié)果對比：

圖6 第一包封內(nèi)仿真溫升同實測溫升對比

第二包封第二層線外側(cè)軸向溫升對比：

圖7 第二包封內(nèi)仿真溫升同實測溫升對比第三包封第二層線外側(cè)軸向溫升對比

（1）通過試驗驗證，采用流固體耦合傳熱+輻射傳熱的模型，同時考慮固體熱傳導(dǎo)、空氣熱傳導(dǎo)、空氣對流以及電抗器表面的輻射所建立的電抗器二維幾何模型滿足電抗器實際運(yùn)行情況。仿真結(jié)果同實測結(jié)果變化趨勢一致，軸向和徑向溫升分布均能夠較好的吻合，總的來看仿真結(jié)果同試驗結(jié)果的溫升差異小于5K，關(guān)鍵點(diǎn)仿真計算溫升與試驗結(jié)果偏差可達(dá)1K，仿真計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)趨勢一致、匹配性好，可作為工程設(shè)計優(yōu)化的參考。

（1）第一包封的仿真計算結(jié)果整體偏大，但最熱點(diǎn)附近，即在電抗器的上端兩者匹配良好，偏差小于3K；

制作了型號為CKGKL-10-60-6的溫升樣機(jī)試驗?zāi)Ｐ停诎獾膹较蚝洼S向放置測溫探頭，用于測量包封內(nèi)部的溫升分布情況以及比較包封內(nèi)外的溫度變化。探頭的放置如下圖所示：

（3）第三包封，仿真計算與試驗數(shù)據(jù)整體匹配均較好，尤其是在包封上端的最熱點(diǎn)附近，兩者變化趨勢完全吻合，數(shù)據(jù)偏差小于1K。

從上述軸向和徑向仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的對比分析來看，兩者整體的溫升差異小于5K，關(guān)鍵點(diǎn)的溫升差異均小于3K，仿真計算數(shù)據(jù)趨勢正確，關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)準(zhǔn)確有效，完全具有指導(dǎo)工程優(yōu)化設(shè)計的價值。

圖8 第三包封內(nèi)仿真溫升同實測溫升對比

2.2 最熱點(diǎn)位置研究分析

不同包封的散熱條件存在較大的差異，因此不同位置包封的最熱點(diǎn)分布完全不同，但大致可分為內(nèi)外包封和中間包封兩大類。為方便后續(xù)的分析，對軸向溫升最熱點(diǎn)的研究均取各包封第二層電磁線位置軸線的溫升分布為研究目標(biāo)。具體分析如下：從圖6-圖8可以看出，針對樣機(jī)型號產(chǎn)品，其內(nèi)包封最熱點(diǎn)溫升在軸向x=1300mm位置；中間包封最熱點(diǎn)位置在x=1350位置；外包封最熱點(diǎn)溫升在軸向=1330mm位置；按照包封的尺寸比例，內(nèi)外包封最熱點(diǎn)在包封高度的85～90%位置，各包封位置差異不明顯，實際工程溫升測量參考此數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。

2.3 干式空心電抗器溫升分布規(guī)律分析

從軸向溫度分布圖可以看出：包封內(nèi)的溫升最高點(diǎn)一般位于x=1300～1350mm處，即在包封上端約150mm處，這一位置接近包封中上約1/5處，如圖9～圖11所示。包封內(nèi)部軸向溫度變化由接近室溫逐步升高，到達(dá)最大值，溫升約50K，后溫度下降，溫升曲線呈拱形。

為了更好地分析沿包封徑向和軸向的溫度變化，選取了如下軸向和徑向的位置進(jìn)行溫升分布的分析：x=800，900，1000，1200（相當(dāng)于端絕緣下 250mm 處），y=0.35（1包封內(nèi)表面），y=0.0358565（1包封 2層線外側(cè)），y=0.3644（1包封外表面），y=0.3894（2包封內(nèi)表面），y=0.395135（2包封 2層線外側(cè)），y=0.3994（2包封外表面），y=0.4244（3包封內(nèi)表面），y=0.43237（3包封3層線外側(cè)），y=0.43865（3包封外表面）。

圖9 第1包封內(nèi)外表面以及2層線外側(cè)軸向溫度分布

圖10 第2包封內(nèi)外表面以及2層線外側(cè)軸向溫度分布

圖11 第3包封內(nèi)外表面以及3層線外側(cè)軸向溫度分布

3 結(jié)語

圖6-圖8為不同包封軸向的溫升分布對比分析，可看出不同包封的實測數(shù)據(jù)與仿真計算數(shù)據(jù)存在不同的規(guī)律，且軸向溫升分布兩者的匹配性與徑向溫升分布存在差異。主要表現(xiàn)在：

從功能關(guān)系的角度，我們可以得出結(jié)論，在導(dǎo)體靜止時，一個通電導(dǎo)體所受安培力是其中粒子所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)；在導(dǎo)體運(yùn)動時，一個通電導(dǎo)體所受安培力與其中全部粒子所受的洛倫茲力不完全等效。

（2）包封內(nèi)的溫升最高點(diǎn)一般位于包封中上約1/5處，可為后續(xù)的實際最熱點(diǎn)溫升測量提供依據(jù)。

（3）從仿真徑向溫度分布來看，包封內(nèi)部導(dǎo)線之間的溫升差別較小，本例中包封內(nèi)的溫升差別在1℃以內(nèi)。溫度沿絕緣浸膠玻璃絲的徑向分布具有較大的梯度。

切實轉(zhuǎn)變政府職能，使其從管理企業(yè)向市場監(jiān)管轉(zhuǎn)變，從直接管理向間接管理轉(zhuǎn)變。要切實遵循市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律，堅定不移地開放水務(wù)市場，利用市場機(jī)制發(fā)展供排水、污水處理產(chǎn)業(yè)。水務(wù)提供的產(chǎn)品具有準(zhǔn)公共產(chǎn)品的特性，關(guān)系到群眾的正常生活，政府必須對這個領(lǐng)域進(jìn)行有效監(jiān)管，特別是要加強(qiáng)價格、服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)安全的監(jiān)管，以確保人民群眾的切身利益，出臺一系列政策保證低收入階層獲得應(yīng)有的基本服務(wù)。為了保證這一目標(biāo)的實現(xiàn)，政府還應(yīng)該通過專門的機(jī)構(gòu)監(jiān)督落實。

同時，關(guān)注數(shù)字文化發(fā)展，利用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，加大數(shù)字產(chǎn)品和服務(wù)的研發(fā)，進(jìn)行數(shù)字網(wǎng)絡(luò)出版、發(fā)行與傳播[13]，充分利用微博、微電影等微文化渠道，以及中國駐外文化交流機(jī)構(gòu)擴(kuò)大亳文化的對外傳播。積極組織亳州文化企業(yè)參加國際大型會展、貿(mào)易洽談會、文化年、藝術(shù)節(jié)等重大經(jīng)濟(jì)、文化交流活動，搭建亳文化企業(yè)與海外市場溝通交流的橋梁，拓寬亳文化“走出去”的渠道。

（4）由于自然對流的作用，氣道內(nèi)部溫度具有較大的梯度，其中，氣道中間的溫度接近室溫，溫升約為5K。對于氣道寬度設(shè)計，應(yīng)當(dāng)重新考慮氣道寬度更改后對溫升分布的影響。

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