特高壓CVT不同缺陷時溫度特征的仿真研究

張丕沛，李 杰，師 偉，王江偉，商攀峰

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）在長期戶外運行過程中，會出現(xiàn)受潮、劣化、漏油等缺陷，各種缺陷均會使CVT 表面溫度發(fā)生不同程度、不同規(guī)律的變化［1-5］。針對500 kV 及以下電壓等級的CVT設(shè)備已有較為豐富紅外測溫缺陷診斷案例，而特高壓CVT 體型高大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常由多節(jié)電容器疊裝而成，缺乏紅外診斷經(jīng)驗，因此需要對特高壓CVT不同缺陷時的溫度分布特征開展研究。

文獻［6-9］介紹了CVT典型的缺陷案例，并總結(jié)了利用介損測試、電容量測試等停電試驗的缺陷診斷方法，但未提及相關(guān)的帶電檢測手段；文獻［10-12］建立了特高壓CVT 的電場及結(jié)構(gòu)場仿真模型，從設(shè)計的角度對最大場強及最大應(yīng)力進行校核，雖然未對溫度場進行仿真分析，但其有限元建模思路值得借鑒。

根據(jù)特高壓CVT實際結(jié)構(gòu)尺寸建立了其溫度場的三維仿真模型，對受潮、漏油以及電容片劣化等常見缺陷的溫度分布進行仿真計算，研究特高壓CVT不同缺陷時的溫度特征。

1 特高壓CVT溫度場仿真模型

特高壓CVT主要由均壓環(huán)、電容分壓器、電磁單元、底座等部分組成，電容分壓器一般由4～5 節(jié)電容單元組成，每節(jié)電容單元內(nèi)部的電容芯子由若干個電容片串聯(lián)而成，并充以絕緣油密封在瓷套中［13］。

當特高壓CVT 正常運行時，其內(nèi)部熱源主要包括瓷套表面泄漏電流發(fā)熱、電容芯子和絕緣油的介質(zhì)損耗發(fā)熱。而瓷套表面清潔時，表面泄漏電流可忽略不計，此時CVT內(nèi)部主要熱源為介質(zhì)損耗發(fā)熱。單位體積內(nèi)的介質(zhì)損耗功率為

式中：f為頻率；ε和tanδ分別為介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切值，對每種結(jié)構(gòu)材料來說，其為已知常數(shù)；E為電場強度，可通過電場有限元仿真計算獲得。

特高壓CVT 內(nèi)部熱量的傳遞途徑主要有兩種，一是法蘭與瓷套、電容芯子等相互接觸固體之間的熱傳導(dǎo)；二是絕緣油內(nèi)的熱對流（由于CVT運行時最高溫度不超過100 ℃，因此各結(jié)構(gòu)間的熱輻射可忽略不計）。以上兩種傳熱過程，在已知各材料的熱參數(shù)時，可以通過溫度場有限元仿真進行計算。此時還需要確定各交界面上的邊界條件，包括各部分接觸面上的連續(xù)性邊界條件：

式中：下標s表示材料1和材料2的交界面；T1和T2分別為兩種材料的溫度；λ1和λ2分別為兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)；n為交界面的法向。

式（2）和式（3）表示兩種材料在交界面處的溫度相同，通過接觸面的熱流密度也相同［14］。

CVT外表面與空氣間的對流傳熱邊界條件為

式中：λw為外表面的導(dǎo)熱系數(shù)；Tw為CVT 外表面溫度；▽為梯度算子；Ta為空氣溫度；h為CVT與空氣間的對流傳熱系數(shù)［15］。

建立特高壓CVT 溫度場仿真模型如圖1 所示，CVT 總高約14 m，由5 節(jié)電容分壓單元組成，每節(jié)電容單元高約1.9 m。底部設(shè)有高4.5 m 的底座。頂部設(shè)有兩個直徑約為1 m 的均壓環(huán)。建模在有限元仿真軟件中進行，采用熱電耦合計算單元構(gòu)建實體，對各部件賦予電、熱特性相關(guān)參數(shù)后進行有限元網(wǎng)格劃分，在傘裙、瓷套與法蘭交接處等結(jié)構(gòu)尺寸較小、溫度過渡較快的部位采用精細網(wǎng)格，以便獲得更準確的溫度分布情況，而在均壓環(huán)、底座等部位設(shè)置為粗糙網(wǎng)格，以提高計算效率［16］。

圖1 特高壓CVT溫度場三維仿真模型

特高壓CVT 溫度分布計算流程如圖2 所示。計算過程中需要的各部件相關(guān)參數(shù)如表1 所示。為了節(jié)省計算時間，在計算過程中做出以下假設(shè)及簡化：1）未對螺栓、引線等細小結(jié)構(gòu)及電磁單元進行建模，主要考慮5 節(jié)電容分壓單元整體的溫度分布；2）假設(shè)各材料的電特性參數(shù)及熱特性參數(shù)具有各向同性，即同一介質(zhì)內(nèi)各處的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗正切值、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等均相等；3）各個位置的熱量傳遞和溫度分布處于穩(wěn)態(tài)。

圖2 特高壓CVT溫度分布計算流程

表1 各部件的相關(guān)參數(shù)

以特高壓CVT 正常運行條件為例，外界溫度為20 ℃，對流傳熱系數(shù)為5 W/（m2·K），此時溫度分布計算結(jié)果如圖3 所示，可知CVT 表面最高溫度約為28.3 ℃，最大溫差約為0.7 K。對相同結(jié)構(gòu)、相同運行條件下的特高壓CVT 現(xiàn)場開展紅外測溫，測溫圖譜如圖4 所示，可以看出表面最高溫度為28.5 ℃，與仿真結(jié)果相差不大，且溫度分布規(guī)律基本一致，驗證了仿真模型的正確性。

圖3 特高壓CVT正常運行時溫度分布

圖4 特高壓CVT正常運行時紅外圖譜

2 不同缺陷時的溫度分布特征

CVT 內(nèi)部主要電氣結(jié)構(gòu)是由若干個相同的電容片串聯(lián)而成，且電容片電容值遠大于CVT 與周圍物體間的雜散電容，因此交流電壓下特高壓CVT 的自上而下的電壓基本為均勻分布。同時由于CVT 屬于電壓致熱型設(shè)備，正常時各節(jié)的發(fā)熱程度也一致，當某一節(jié)發(fā)生缺陷時，通常不會改變整體的電壓分布情況，則只會在該節(jié)內(nèi)部呈現(xiàn)出相應(yīng)的溫度特征，不會影響其余節(jié)的溫度。因此對各種缺陷的模擬均以最下節(jié)為例，對溫度特征進行仿真研究。

2.1 受潮

受潮是CVT 運行過程中常見缺陷之一，通常由絕緣油干燥處理不到位、法蘭與瓷套膠接處開裂等引起［17］。受潮會使絕緣油中水分含量增加，在電場作用下電導(dǎo)電流增大，從而使介質(zhì)損耗增大幾倍甚至幾十倍。因此，通過增大絕緣油介質(zhì)損耗正切值的方式，對特高壓CVT 受潮時的溫度分布特征進行仿真計算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 特高壓CVT受潮時溫度分布

可以看出，受潮的電容單元溫度明顯上升，呈現(xiàn)出整節(jié)均勻發(fā)熱，而其余節(jié)的溫度基本不變，表面溫差約為2.1 K。

2.2 漏油

密封圈老化、安裝工藝不良導(dǎo)致密封圈破損等均會導(dǎo)致CVT出現(xiàn)漏油缺陷，使油位逐漸下降，油面上方混入空氣［18］。因此只需要將仿真模型中絕緣油在油面處進行劃分，油面上方區(qū)域賦予空氣的相關(guān)特性參數(shù)，便可對特高壓CVT 漏油時的溫度特征進行仿真計算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 特高壓CVT漏油時溫度分布

可以看出，漏油使最下節(jié)電容單元呈現(xiàn)出明顯的溫度分界線，油面上方溫度低于油面下方溫度，表面溫差約為2.7 K，這是由于空氣的導(dǎo)熱性能遠小于油，且空氣中幾乎不存在介損發(fā)熱。

2.3 電容片劣化

若CVT電容片加工工藝不良存在裂紋或絕緣油絕緣性能下降，則會引起電容片表面發(fā)生局部放電，導(dǎo)致電容片發(fā)生劣化，最終形成貫穿性擊穿放電［19］。無論是局部放電還是貫穿性放電，其放電脈沖電流會產(chǎn)生大量的熱量，一般可用式（3）對放電功率P進行估算。

式中：f為工頻頻率，f=50 Hz；m為一個工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)；qi和ui分別為第i次放電的視在電荷量和外施電壓瞬時值。

將由式（5）計算得到的發(fā)熱功率施加到劣化的電容片上，便可對電容片劣化放電時的溫度特征進行仿真計算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 少數(shù)電容片劣化放電時溫度分布

可以看出，少數(shù)電容片劣化放電時，瓷套表面對應(yīng)位置出現(xiàn)局部熱點，由于局部擊穿放電產(chǎn)生的能量較低，因此表面溫差較小，約為1.1 K。

電容片劣化后，其頻繁的放電會引起絕緣油絕緣性能進一步下降，長期發(fā)展導(dǎo)致電容片大面積的劣化、擊穿，擊穿的電容片最終處于短路狀態(tài)，近似為金屬連接［20］。將劣化部位的電容片賦予金屬導(dǎo)體的相關(guān)特性參數(shù)，便可對電容片大面積劣化后的溫度特征進行仿真計算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 大面積電容片劣化擊穿時溫度分布

可以看出，電容片大面積劣化擊穿時，由于短路狀態(tài)的電容片不承擔電壓，不產(chǎn)生熱量，因此在最下節(jié)呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度，劣化擊穿位置溫度低于上下兩側(cè)，表面溫差約為1.6 K。

由于實際中溫差大小與缺陷嚴重程度及環(huán)境因素有關(guān)，因此利用仿真結(jié)果中的溫差值無法提出嚴格的數(shù)值判斷標準，而不同缺陷時的溫度特征的分析結(jié)果對實際紅外測溫有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。將特高壓CVT 各類缺陷的溫度特征進行總結(jié)對比，如表2 所示，當現(xiàn)場開展紅外測溫觀察到具有表中特征的溫度圖譜時，便可初步判斷存在相應(yīng)缺陷，并通過加強監(jiān)測和停電試驗的方式進行綜合判斷，及時消缺處理。

表2 特高壓CVT不同缺陷的溫度特征

3 結(jié)語

根據(jù)特高壓CVT實際結(jié)構(gòu)尺寸建立了其溫度場的三維仿真模型，結(jié)合CVT 運行過程中各類常見缺陷的發(fā)熱機理，對特高壓CVT受潮、漏油以及電容片劣化時的溫度分布進行了仿真計算，分析討論了不同缺陷時的溫度特征。由仿真結(jié)果可知，CVT 受潮時的溫度特征為受潮節(jié)整體均勻發(fā)熱，CVT 漏油時在油面位置呈現(xiàn)出明顯溫度分界線，而當CVT 內(nèi)電容片劣化時，根據(jù)劣化程度的不同，會在劣化位置會出現(xiàn)集中熱點或溫度低點。通過對幾種常見缺陷下溫度分布特征的對比分析，為特高壓CVT 的紅外診斷提供依據(jù)。