復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)特性研究

曾磊磊，張 宇，李唐兵，王 鵬，萬 華，徐碧川，劉玉婷，童 超，童 濤，周龍武，鄧志斌

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，南昌 330077)

0 引言

復(fù)合絕緣子以其優(yōu)異的耐污閃性能而被廣泛應(yīng)用于輸電線路中，起著支撐導(dǎo)線的關(guān)鍵作用，其性能的優(yōu)劣關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。由于運(yùn)行過程中長期受到電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力以及各種環(huán)境因素的影響，硅橡膠傘套不可避免地會出現(xiàn)老化[4-5]。水和酸等電介質(zhì)透過老化的護(hù)套侵入到絕緣子芯棒，并在交變電場的作用下反復(fù)極化產(chǎn)生介質(zhì)損耗，加之內(nèi)部缺陷引起的局部放電共同導(dǎo)致了復(fù)合絕緣子芯棒異常發(fā)熱[6-7]。復(fù)合絕緣子芯棒由玻璃纖維增強(qiáng)材料和環(huán)氧樹脂基體組成，異常發(fā)熱會導(dǎo)致樹脂基體與玻纖的熱脹不匹配，從而在界面間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時會破壞界面結(jié)構(gòu)，此外，高溫促進(jìn)了分子的熱運(yùn)動，加速樹脂基體的分解，進(jìn)而導(dǎo)致芯棒性能下降[8-10]，甚至引發(fā)復(fù)合絕緣子斷裂事故[11-13]。由此可見，溫升對復(fù)合材料老化的加速作用十分明顯，復(fù)合絕緣子的芯棒發(fā)熱會加速芯棒的劣化，極大縮短了絕緣子的使用壽命，故亟需尋求快速有效方法對復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱時的溫升進(jìn)行測量及診斷。

紅外熱像測溫是檢測絕緣子劣化的重要手段，該方法利用紅外接收元件將物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成熱像圖并顯示在測溫儀屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)溫度的非接觸、精確測量[14]。隨著紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率的提高，這種安全可靠、操作簡單的方法逐漸被應(yīng)用于復(fù)合絕緣子溫升檢測[15]，但大都局限于經(jīng)驗(yàn)層次，僅能觀測到絕緣子表面溫度，尚未具備對內(nèi)部溫升情況進(jìn)行分析的能力。

筆者通過對復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行理論推導(dǎo)，建立了熱傳導(dǎo)模型，并進(jìn)行仿真計算和搭建實(shí)驗(yàn)平臺，重點(diǎn)研究了導(dǎo)熱系數(shù)、環(huán)境溫、濕度與復(fù)合對流系數(shù)對熱傳導(dǎo)的影響。

1 熱傳導(dǎo)模型

建立復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)模型，假設(shè)將芯棒的單位時間單位體積發(fā)熱量設(shè)為常數(shù)，芯棒表面的溫度均勻，護(hù)套僅在徑向存在溫度梯度，忽略芯棒與硅橡膠護(hù)套之間的接觸熱阻，則護(hù)套處的溫度傳導(dǎo)如式(1)所示。

(1)

假定k為常數(shù)，對式(1)進(jìn)行兩次積分，得到通解為

(2)

已知復(fù)合絕緣子表面溫度為Ts，且內(nèi)部傳遞出的熱量等于包括護(hù)套表面對流和輻射在內(nèi)的復(fù)合傳熱總熱量qs，則有以下邊界條件：

T(r2)=Ts

(3)

(4)

其中復(fù)合傳熱總熱量可用式(5)表示

qs=h(Ts-T∞)

(5)

式中，h為復(fù)合傳熱系數(shù)，r1為芯棒的半徑，r2為護(hù)套的外徑，T∞為環(huán)境溫度。

將邊界條件式(3)、(4)和式(5)代入式(2)可得：

(6)

(7)

因此復(fù)合絕緣子硅橡膠護(hù)套中的溫度分布如式(8)所示

(8)

綜上可得芯棒表面溫度如式(9)所示

(9)

(10)

由此可見，當(dāng)復(fù)合絕緣子芯棒內(nèi)部存在熱源時，護(hù)套中徑向溫度成對數(shù)分布。

進(jìn)一步列出芯棒表面溫度與護(hù)套表面溫度的關(guān)系如式(11)所示。

(11)

2 仿真研究

由熱傳導(dǎo)模型可知，硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)、環(huán)境溫度及復(fù)合傳熱系數(shù)等均會對復(fù)合絕緣子溫度分布產(chǎn)生影響，筆者利用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件對500 kV復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行仿真計算，其型號為FXBW-500/300，為一大兩小傘結(jié)構(gòu)，其中大傘直徑為174 mm，小傘直徑為88 mm，傘間距為79 mm，棒芯直徑為30 mm，護(hù)套厚度為5.5 mm，絕緣子各部件的熱學(xué)參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合絕緣子熱學(xué)參數(shù)Table 1 Thermal parameters of composite insulators

為了研究硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)、護(hù)套表面復(fù)合傳熱系數(shù)及環(huán)境溫度等對復(fù)合絕緣子熱傳導(dǎo)的影響，同時驗(yàn)證熱傳導(dǎo)模型的正確性。下面分別仿真計算不同硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)、環(huán)境溫度及復(fù)合傳熱系數(shù)條件下，復(fù)合絕緣子芯棒表面溫度與護(hù)套表面溫度的關(guān)系。仿真過程中忽略芯棒和硅橡膠的接觸熱阻。

2.1 護(hù)套導(dǎo)熱系數(shù)

保持環(huán)境溫度T∞取20 ℃和復(fù)合傳熱系數(shù)h取20 W/(m2·℃)不變，硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)分別取0.1、0.2和0.3 W/(m·℃)時，復(fù)合絕緣子芯棒表面和護(hù)套外表面的溫度關(guān)系，也即T(r1)-Ts曲線見圖1。

圖1 硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)對熱傳導(dǎo)的影響Fig.1 The influence of thermal conductivity of HTV silicone rubber on heat conduction

從圖1可以看出，不同導(dǎo)熱系數(shù)下芯棒表面溫度T(r1)與硅橡膠外表面溫度Ts都成一次函數(shù)關(guān)系，并且隨著護(hù)套導(dǎo)熱系數(shù)的增加，曲線的斜率減小，對于某一確定的Ts，其對應(yīng)的T(r1)降低，內(nèi)外溫差減小，與熱傳導(dǎo)模型相符合。這是因?yàn)楣柘鹉z導(dǎo)熱系數(shù)增大，護(hù)套隔熱效果越差，芯棒內(nèi)部熱源的熱量越容易傳導(dǎo)出來，芯棒溫度降低，內(nèi)外溫差減小。實(shí)際上，隨著運(yùn)行年限的增加，復(fù)合絕緣子硅橡膠傘套逐漸老化，出現(xiàn)越來越多的孔洞、裂紋，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，進(jìn)而使得內(nèi)外溫差變小。

2.2 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度的改變會影響護(hù)套表面的對流和輻射傳熱，從而改變護(hù)套的溫度分布，因此有必要對其進(jìn)行研究。保持導(dǎo)熱系數(shù)k取0.27 W/(m·℃)和復(fù)合傳熱系數(shù)h取20 W/(m2·℃)不變，分別在0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃ 4個環(huán)境溫度下，仿真得到T(r1)-Ts曲線見圖2。

由圖2可知，不同環(huán)境溫度下T(r1)與Ts都成一次函數(shù)關(guān)系，并且各曲線的斜率相同。隨著環(huán)境溫度的升高，T(r1)-Ts曲線呈現(xiàn)向右平移的趨勢，且環(huán)境溫度每升高10 ℃，曲線向右平移約3 ℃，也即內(nèi)外溫差減小3 ℃。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度增大，則復(fù)合絕緣子傘套表面的對流傳熱量減小，而外界對傘套輻射作用增大，因此護(hù)套表面溫度提高，內(nèi)外溫差減小。當(dāng)T(r1)最高取120 ℃，T∞分別為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃時，內(nèi)外溫差分別為：39.8 ℃、36.9 ℃、33.9 ℃、30.9 ℃。

圖2 環(huán)境溫度對熱傳導(dǎo)的影響Fig.2 The influence of ambient temperature on heat conduction

2.3 復(fù)合傳熱系數(shù)

保持環(huán)境溫度T∞取20 ℃和導(dǎo)熱系數(shù)k取0.27 W/(m·℃)不變，復(fù)合傳熱系數(shù)h分別取10 W/(m2·℃)、20 W/(m2·℃)和30 W/(m2·℃)時，仿真得到T(r1)-Ts曲線見圖3。

圖3 復(fù)合對流系數(shù)對熱傳導(dǎo)的影響Fig.3 The influence of composite heat transfer coefficient on heat conduction

由圖3可知，不同復(fù)合傳熱系數(shù)下T(r1)與Ts都成一次函數(shù)關(guān)系，并且曲線的斜率隨著復(fù)合傳熱系數(shù)的增加而增大，對于某一確定的Ts，h越大，對應(yīng)的T(r1)越大，內(nèi)外溫差越大，當(dāng)T(r1)最高取120 ℃，h分別為10、20、30 W/(m2·℃)時，內(nèi)外溫差分別為：26.35 ℃、33.9 ℃、40.05 ℃。這是因?yàn)椴牧系膹?fù)合傳熱系數(shù)增大，復(fù)合絕緣子表面的對流和輻射傳熱加劇，損失熱量增加，所以護(hù)套外表面溫度減小，內(nèi)外溫差增大。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為驗(yàn)證芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)模型，并進(jìn)一步探究復(fù)合絕緣子內(nèi)外溫度的影響因數(shù)，設(shè)計實(shí)驗(yàn)見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experiment

為了模擬芯棒發(fā)熱情況，在芯棒的中心插入一根電阻絲，并由調(diào)壓器控制所加電壓，從而控制電阻絲發(fā)熱的功率，芯棒表面及護(hù)套外表面溫度由熱電偶實(shí)時測量。將調(diào)壓器的初始輸出功率調(diào)為3 W，每隔5 s記錄內(nèi)外溫度，待溫度穩(wěn)定時繼續(xù)調(diào)高輸出功率并得到另一個穩(wěn)定溫度，逐漸增大功率則可得到芯棒表面及護(hù)套外表面溫度隨時間的變化規(guī)律。將該裝置放置于人工氣候室內(nèi)，控制環(huán)境溫度分別為10 ℃、20 ℃和30 ℃，濕度分別為35%、50%、65%和80%時，測量內(nèi)外溫度關(guān)系，以研究環(huán)境溫、濕度對復(fù)合絕緣子熱傳導(dǎo)的影響。

熱電偶測量儀分別在芯棒表面和護(hù)套外表面布置3個測溫點(diǎn)，3組測溫點(diǎn)平均分布在復(fù)合絕緣子芯棒和護(hù)套的徑向上，見圖5。

圖5 測溫點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of temperature measuring points

為了減小誤差，實(shí)驗(yàn)測量得到的芯棒表面溫度T(r1)和護(hù)套表面溫度Ts分別取自3組數(shù)據(jù)的平均值。

3.2 溫升時域曲線

實(shí)驗(yàn)得到了不同環(huán)境溫度及濕度條件下芯棒表面溫度T(r1)和護(hù)套外表面溫度Ts的時域特性，由于各個環(huán)境溫度及濕度下T(r1)和Ts曲線的變化規(guī)律相同，限于篇幅，下面僅畫出環(huán)境溫度為20 ℃，濕度50%下T(r1)和Ts及調(diào)壓器輸出功率的時域特性曲線，見圖6所示。

從圖6可以看出，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計為待溫度穩(wěn)定后再提高功率，如此往復(fù)，所加功率呈階梯式上升，所以T(r1)和Ts曲線也呈分段上升趨勢。此外，調(diào)壓器輸出功率代表了實(shí)際中芯棒的發(fā)熱量，實(shí)驗(yàn)開始時，T(r1)和Ts兩者重合，隨著功率的增加，T(r1)的溫度上升速度大于Ts，內(nèi)外溫差逐漸增大，與熱傳導(dǎo)模型一致。

圖6 T(r1)和Ts及調(diào)壓器輸出功率的時域特性Fig.6 The time-domain characteristic curves of T(r1),Ts and the output power of voltage regulator

3.3 環(huán)境溫度

實(shí)驗(yàn)得到了環(huán)境溫度為10 ℃、20 ℃和30 ℃，濕度為50%的復(fù)合絕緣子內(nèi)外時域溫升數(shù)據(jù)，為了探究環(huán)境溫度對復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)的影響，繪出上述條件下芯棒表面溫度隨護(hù)套外表面溫度的變化情況及其擬合曲線，見圖7，并給出擬合參數(shù)見表1。

圖7 環(huán)境溫度對熱傳導(dǎo)的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of the influence of ambient temperature on heat conduction

表2 擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters

由圖7和表1可知，各環(huán)境溫度下T(r1)與Ts都成一次函數(shù)關(guān)系(擬合度為0.99)，并且各擬合曲線的斜率基本一致，均在1.34左右；隨著環(huán)境溫度的升高，T(r1)-Ts曲線呈現(xiàn)向右平移的趨勢，也即對于某一確定的護(hù)套表面溫度，隨著環(huán)境溫度的升高，芯棒表面溫度降低，內(nèi)外溫差減小，這些特征與仿真結(jié)果完全一致，進(jìn)一步說明了熱傳導(dǎo)模型的準(zhǔn)確性。此外，觀察表1中各擬合曲線的截距還可以看出，環(huán)境溫度每升高10 ℃，內(nèi)外溫差大約下降3.5 ℃，而仿真得到環(huán)境溫度每升高10 ℃，內(nèi)外溫差減小3 ℃，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較小的差距，這是因?yàn)榉抡婧雎粤俗o(hù)套與芯棒的接觸熱阻，促進(jìn)了芯棒熱量的熱傳導(dǎo)過程，導(dǎo)致仿真計算的內(nèi)外溫差比實(shí)驗(yàn)結(jié)果小。

3.4 環(huán)境濕度

環(huán)境溫度為20 ℃，濕度分別為35%、50%、65%和80%時，T(r1)隨Ts變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其擬合曲線見圖8。

圖8 環(huán)境濕度對熱傳導(dǎo)的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of the influence of ambient humidity on heat conduction

由圖8可知，不同濕度下試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈線性變化并近似重合，可用一條曲線擬合。結(jié)果表明，環(huán)境濕度對復(fù)合絕緣子的熱傳導(dǎo)沒有明顯影響，這與理論模型沒有出現(xiàn)環(huán)境濕度這一影響因素相符合。

4 結(jié) 論

通過對復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行理論推導(dǎo)，建立了熱傳導(dǎo)模型，得到了硅橡膠護(hù)套中的溫度分布，利用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行仿真計算，并開展實(shí)驗(yàn)研究，主要有以下結(jié)論：

1)當(dāng)復(fù)合絕緣子只有芯棒發(fā)熱時，硅橡膠護(hù)套中徑向溫度成對數(shù)分布，并且在環(huán)境溫度、護(hù)套導(dǎo)熱系數(shù)與復(fù)合傳熱系數(shù)保持不變時，護(hù)套表面的溫度與芯棒表面溫度成線性關(guān)系。

2)復(fù)合絕緣子內(nèi)外溫差與復(fù)合傳熱系數(shù)成正比，與護(hù)套導(dǎo)熱系數(shù)和環(huán)境溫度成反比，而環(huán)境濕度對復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)沒有明顯影響。

3)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了復(fù)合絕緣子芯棒發(fā)熱的熱傳導(dǎo)模型的準(zhǔn)確性，利用該模型對芯棒溫度進(jìn)行非接觸式、實(shí)時可見的在線診斷，突破了傳統(tǒng)的接觸式檢測技術(shù)的局限性，對及時發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子的早期隱患，具有重要意義。