許 珉,岐召陽,劉 瑋,武 杰

(1.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州450001;2.鄭州供電公司,河南鄭州450000)

單相500 kV GIS電子式組合互感器發(fā)熱有限元分析

許 珉1,岐召陽1,劉 瑋2,武 杰2

(1.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州450001;2.鄭州供電公司,河南鄭州450000)

溫度變化會影響電子式互感器的測量準(zhǔn)確度，500 kV GIS電子式組合互感器通常布置在戶外，在實際運行中由于電阻損耗、太陽照射等因素而溫度上升，甚至超過允許溫升，從而影響其工作性能.為了準(zhǔn)確分析其損耗發(fā)熱問題，保證其工作的安全性和可靠性，運用有限元方法，建立了損耗發(fā)熱的流場-溫度場耦合求解模型，在綜合考慮了太陽照射、外殼環(huán)流、氣體流動以及重力等因素影響的基礎(chǔ)上，計算分析了其流場和溫度場分布規(guī)律.結(jié)果表明:溫度場分布呈左右基本對稱，上部溫度高于下部溫度，最高溫度在導(dǎo)體頂部，最低溫度在導(dǎo)體正下方.所得結(jié)論對于電子式互感器的散熱設(shè)計具有一定的參考價值.

GIS;電子式組合互感器;流場;溫度場;損耗發(fā)熱

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,作為數(shù)字化變電站的重要組成部分,有關(guān)電子式互感器的研究越來越多［1-2］.電子式互感器具有傳統(tǒng)電磁式互感器的全部功能,由于光電轉(zhuǎn)換技術(shù)與數(shù)字化處理技術(shù)的運用,使其在絕緣性能、抗飽和性能、安全性、熱穩(wěn)性及動穩(wěn)定特性等方面比傳統(tǒng)的電磁式互感器更具優(yōu)勢.由于電子式互感器中采用了光學(xué)器件和有源電子器件,這些器件的特性容易受到溫度影響;另一方面,由于GIS(SF6全封閉組合電器)電子式組合互感器封閉性好、體積有限、電流較大,其溫升發(fā)熱問題不可忽視,所以在實際運行中必須考慮溫度對其測量準(zhǔn)確度的影響.

IEC標(biāo)準(zhǔn)中,對電子式互感器的工作環(huán)境溫度范圍規(guī)定為-5～40℃、-25～40℃和-40～40℃［3-4］.在實際運行過程中,戶外型GIS電子式互感器設(shè)備內(nèi)的最高溫度可能達(dá)到90℃,這么高的溫度將會嚴(yán)重影響電子式互感器的測量誤差性能.在GIS設(shè)備的溫度計算方面,由于受到材料特性、幾何形狀、重力加速度及表面輻射等因素的制約,使傳統(tǒng)的溫度計算方法,如熱平衡方程聯(lián)合傳熱學(xué)解析公式的方法［5-7］或是散熱系數(shù)解析計算與溫度場有限元求解相結(jié)合的方法［8-10］,都難以全面把握其散熱狀況,從而對溫度計算結(jié)果造成不利影響.于是,有人提出了運用有限元建模的方法對GIS母線的損耗發(fā)熱進(jìn)行分析［11］,也取得了不錯的效果,但是卻忽略了太陽照射對于戶外型GIS設(shè)備溫升發(fā)熱的影響,而關(guān)于GIS電子式互感器溫升發(fā)熱的計算鮮見相關(guān)報道.

針對以上問題,筆者在全面考慮以上諸多影響因素的基礎(chǔ)上,以水平放置的單相500 kV GIS電子式組合互感器為例,應(yīng)用有限元方法建立了損耗發(fā)熱的流場-溫度場耦合求解模型,計算分析了其流場和溫度場分布規(guī)律.

1 互感器物理模型

在本文中,使用ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD模塊進(jìn)行建模,求解其流場和溫度場分布.為了便于求解,對模型進(jìn)行簡化.導(dǎo)體內(nèi)部的氣體在互感器內(nèi)熱平衡的過程中參與了熱傳導(dǎo)與熱對流,在模型當(dāng)中必須予以考慮.同時,由于絕緣部件對溫升發(fā)熱的影響甚微,因此模型忽略了互感器內(nèi)部的絕緣部件,僅對導(dǎo)體、外殼及SF6氣體進(jìn)行了建模.筆者以某廠家生產(chǎn)的500 kV GIS電子式組合互感器為研究對象,其物理模型由導(dǎo)體、外殼以及互感器內(nèi)部SF6氣體構(gòu)成,其求解區(qū)域如圖1所示,具體尺寸及相關(guān)參數(shù)如表1所示.

導(dǎo)體與外殼為鋁材,在導(dǎo)體與金屬外殼之間的環(huán)狀封閉空間內(nèi)以及導(dǎo)體內(nèi)部,填充氣體為SF6,額定壓力為0.1 MPa.此處環(huán)境溫度取夏季最高溫度40℃,日照功率為1 000 W/m2.根據(jù)相關(guān)測量數(shù)據(jù),對于戶外型GIS設(shè)備,當(dāng)其外殼材料為鋁材時,由于太陽照射使得其外殼表面溫度能夠達(dá)到70℃.組合互感器中電子式電流互感器的額定電流為5 000 A,相關(guān)的材料特性參照高壓電器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選用.

圖1 互感器物理模型Fig.1 Physical model of trans for mer

表1 互感器模型尺寸Tab.1 Model size of transformer

2 流場-溫度場耦合計算模型

在進(jìn)行流場與溫度場耦合分析時,利用ANSYS軟件中的Fluid141二維平面單元實現(xiàn)流場與溫度場的直接耦合,通過有限元方法同時求解熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射方程組,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、湍流、可壓縮流分析.在求解時,采用自由式、智能網(wǎng)格劃分,施加無滑移邊界條件,為了提高計算的精確性,在進(jìn)行溫度場分析時考慮了流體物性參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系.

2.1 互感器中的熱平衡

筆者所研究的單相500 kV GIS電子式組合互感器中的熱平衡過程如下.

(1)由于電阻損耗發(fā)熱,主導(dǎo)體與外殼所產(chǎn)生的熱量,將由它們內(nèi)部通過熱傳導(dǎo)方式傳到其外表面.

(2)當(dāng)主導(dǎo)體內(nèi)部的熱量傳到表面后,其表面溫度與周圍介質(zhì)(SF6氣體)產(chǎn)生溫差,通過對流作用將部分熱量傳給附近的SF6氣體,從而使氣體溫度逐漸上升.

(3)由于對流作用,當(dāng)SF6氣體碰到外殼時,將一部分熱量傳給外殼,使外殼溫度升高;又通過熱傳導(dǎo)方式,熱量從外殼的內(nèi)側(cè)傳遞到外側(cè),與周圍的介質(zhì)(空氣)產(chǎn)生溫差;再通過對流和輻射換熱作用,將熱量散發(fā)到周圍的空氣中.

2.2 熱傳導(dǎo)與熱對流方程

在二維溫度場求解中,該類導(dǎo)體在直角坐標(biāo)系下的熱傳導(dǎo)微分方程為

式中:λ為介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù);T為待求溫度;Qv為生熱率,即單位體積在單位時間內(nèi)所發(fā)的熱量.

由于SF6氣體受熱不均而形成溫差,溫差造成氣體局部密度不均勻而引起的流動屬于自然對流.互感器外殼與周圍空氣之間的對流換熱屬于大空間自然對流,導(dǎo)體與外殼之間的對流換熱則屬于有限空間自然對流換熱.自然對流換熱控制方程由連續(xù)性方程、動量微分方程以及能量微分方程構(gòu)成,具體可分別表述為［12］

式中:ρ、λ及μ分別表示SF6氣體的密度、導(dǎo)熱系數(shù)及動力茹度;P為氣體壓力;u、v分別為x方向與y方向氣體流速;g為重力加速度,此處僅包含y軸分量;β為體脹系數(shù);ΔT為冷熱面之間的溫差;c為比熱容;Qv為體積熱源.

2.3 邊界條件

熱分析中常用的邊界條件分為3類:第1類為物體邊界上的溫度已知;第2類為物體邊界上的熱流密度已知;第3類為與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)已知.考慮到輻射換熱的影響,在導(dǎo)體外表面與金屬外殼的內(nèi)、外表面還需要施加相應(yīng)的輻射換熱條件.

互感器外殼外表面邊界條件:

導(dǎo)體外表面和外殼內(nèi)表面之間的邊界條件:

式中:h1、h2為對流換熱系數(shù);ε為輻射率;σ為Stefan-Boltzmann常數(shù);T0為環(huán)境溫度;Ts為SF6氣體定性溫度;Fij為角系數(shù);θi與θj表示兩個單元面Ai與Aj的法線與二者連線的夾角;r表示單元i與單元j之間的距離.

外殼外表面的對流換熱系數(shù)通常采用以下特征數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算［13］:

式中:Nu為努賽爾數(shù);Gr為格拉曉夫數(shù);Pr為普朗特數(shù);C、n為常數(shù),文中分別取為0.5與0.25;g為重力加速度;α為體脹系數(shù);ΔT為外殼與環(huán)境溫度的差值;D為外殼外徑;v為空氣的運動茹度; a為熱擴(kuò)散率;λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù).

3 計算結(jié)果與分析

由于互感器外殼兩端用短路板連成閉合回路,當(dāng)導(dǎo)體通過電流時,在外殼中感應(yīng)出的環(huán)流近似等于導(dǎo)體電流.電子式電流互感器的額定電流為5 000 A,在此計算導(dǎo)體流過額定電流時的流場和溫度場分布,分為考慮環(huán)流和不考慮環(huán)流兩種情況進(jìn)行建模和仿真.

考慮外殼環(huán)流時,溫度場和流場分布如圖2所示.不考慮外殼環(huán)流時,溫度場和流場分布如圖3所示.

由溫度場分布圖可知,無論是否考慮外殼環(huán)流,溫度場分布都呈左右基本對稱,上部溫度高于下部溫度的分布規(guī)律,其中最高溫度出現(xiàn)在導(dǎo)體頂部,最低溫度出現(xiàn)在導(dǎo)體的正下方.

由氣體流動矢量圖可以看出:由于互感器模型幾何結(jié)構(gòu)的對稱性,使得氣體流動散熱路徑在左右兩側(cè)基本相同.導(dǎo)體正上方的氣體流動速度最大,為0.094 7 m/s,氣體流動攜帶了大量的熱量上升至此,使其傳熱過程更加強(qiáng)烈,使得導(dǎo)體頂部的溫度最高.而由于重力對氣體流動的影響,使豎直方向上的氣體流動呈現(xiàn)回流的形態(tài),這也導(dǎo)致了溫度分布上部高于下部的現(xiàn)象.另外,由于回流作用,導(dǎo)體正下方的氣體向下流動,帶走了大部分的熱量,使得此處的溫度最低.

圖2 考慮環(huán)流時溫度場和流場分布Fig.2 Thermal field and fluid field distribution in consideration of current circulation

圖3 不考慮環(huán)流時溫度場和流場分布Fig.3 Thermal field and fluid field distribution regard less of current circulation

這和文獻(xiàn)［11］中沒有考慮太陽照射時,最低溫度出現(xiàn)在外殼底部的結(jié)果有所不同,原因在于鋁是熱的良導(dǎo)體,可以迅速傳熱,考慮太陽照射時,外殼溫度分布比較均勻.由溫度場分布圖可以看出,達(dá)到穩(wěn)態(tài)時外殼溫度較高,在70℃左右.如此高的溫度,容易發(fā)生燙傷事故,在現(xiàn)場運行中應(yīng)有隔離欄等相應(yīng)的防護(hù)措施.

另外,互感器內(nèi)部環(huán)狀空間的等溫線呈彎曲的S型分布,這是因為在環(huán)形空間內(nèi)部,氣體對流換熱作用較為強(qiáng)烈,存在較強(qiáng)的回流流動,這從氣體流動矢量圖上也可以直觀地看出.

由圖2和圖3的溫度分布圖可知,電流為5 000 A時,考慮外殼環(huán)流時的最高溫度為90.249℃,不考慮外殼環(huán)流時的最高溫度為86.038℃,兩種情況下最高溫度相差4.211℃.所以在進(jìn)行GIS電子式組合互感器的溫度場計算和分析時,必須考慮外殼環(huán)流的影響.

將發(fā)熱溫度計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比,選取導(dǎo)體溫度最高位置,即導(dǎo)體頂部,作為測量點.對比結(jié)果如下:實測值89.5℃,計算值為90.249℃,誤差為0.83%,可以看出該計算方法具有較高的精確度.

在GIS裝置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定溫升極限時,主要的對象是針對主導(dǎo)體部分和外殼,我國國標(biāo)中規(guī)定的高壓GIS設(shè)備的溫升極限值如表2所示.所研究的GIS電子式組合互感器的導(dǎo)體和外殼均為鋁材,導(dǎo)體允許最大溫升為115℃,外殼允許最大溫升為80℃.可以看出,該廠所生產(chǎn)的單相500 kV GIS電子式組合互感器可以滿足溫升發(fā)熱要求.

表2 高壓G IS設(shè)備的溫升極限值[14]Tab.2 The maximum temperature-rise of high voltage GIS equipments

4 結(jié)論

筆者在綜合考慮太陽照射、外殼環(huán)流、氣體流動以及重力等因素影響的基礎(chǔ)上,建立了單相500 kV GIS電子式組合互感器損耗發(fā)熱的流場-溫度場耦合求解模型,得出了以下結(jié)論:

(1)由于互感器模型幾何結(jié)構(gòu)對稱,導(dǎo)致氣體流動散熱路徑左右兩側(cè)基本相同,從而使溫度分布左右基本對稱.

(2)由于重力對氣體流動的影響,對水平放置的單相GIS電子式組合互感器而言,內(nèi)部空間溫度呈上高下低的分布規(guī)律,同時由于考慮了太陽照射使外殼溫度升高的影響,最高溫度出現(xiàn)在導(dǎo)體頂部,最低溫度出現(xiàn)在導(dǎo)體的正下方.

(3)溫度變化會影響電子式互感器的測量準(zhǔn)確度,筆者計算了當(dāng)電流為額定電流5 000 A時互感器的溫度場分布,所得出的結(jié)論對電子式互感器的散熱設(shè)計具有一定的參考價值.

(4)在后續(xù)的研究工作中,計劃將本文的仿真計算結(jié)果與GIS電子式組合互感器的溫度特性試驗進(jìn)一步結(jié)合,獲取更加豐富的測量數(shù)據(jù),為電子式互感器的散熱設(shè)計提供更加詳盡可信的依據(jù).

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Finite Element Calculation about the Heat of Single-phase 500 kV GIS Electronic Combined Transformer

XU Min1,QIZhao-yang1,LIUWei2,WU Jie2
(1.School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China;2.Zhengzhou Electric Power Company, Zhengzhou 450000,China)

The variation of temperaturemay influence themeasuring accuracy of electronic transformer.500kV GIS electronic combined transformer is usually arranged in the open air,so the temperature will rise because of factors such as resistance loss,sun exposure,etc,even exceed the permitted temperature in practical operation,which will influence its work performance.To analyze its loss and heat accurately and ensure the safety and reliability of its operation,a fluid-thermal coup led solution model was established by using finite element method,which calculated and analyzed the distribution regularities of the fluid field and thermal field in consideration of factors such as sun exposure,shell current circulation,gas flow and gravity.The results show that thermal field distribution has the geometric regularity of basic symmetry on both sides and upper temperature is higher than the lower temperature.The highest temperature appears on the top of the conductor and the lowest temperature appears directly below the conductor.The conclusions can provide some reference for the heat dissipation design of electronic transformer.

GIS;electronic combined transformer;fluid field;thermal field;loss and heat

TM 451

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.003

1671-6833(2015)03-0011-05

2015-02-11;

2015-03-19

河南省科技攻關(guān)計劃資助項目(132102210403)

許氓(1956-),男,河南開封人,鄭州大學(xué)教授,主要從事電力系統(tǒng)監(jiān)測與控制研究,E-mail:xumin@zzu. edu.cn.