陳 昱，張 寧，李惠專(zhuān)，何炳峰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局試驗(yàn)研究所，廣東 中山 528400）

0 引 言

電力變壓器是電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的安穩(wěn)運(yùn)行[1]。干式套管因具有無(wú)瓷、防爆等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的變壓器設(shè)備中。廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局最近發(fā)生多起干式套管絕緣劣化，引起介損和絕緣電阻異常。因此，必須定期對(duì)干式套管開(kāi)展電氣試驗(yàn)，檢測(cè)其絕緣狀態(tài)，以保證滿(mǎn)足運(yùn)行要求，避免絕緣故障的發(fā)生[2]。

1 干式套管內(nèi)部等效集總RC熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

1.1 干式套管內(nèi)部熱源及熱流分析

套管結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示。套管內(nèi)部各部分溫度分布和外部環(huán)境溫度不同，溫度差異存在熱量交換形成熱流。傳播特性可分為熱傳導(dǎo)和熱輻射。熱傳導(dǎo)是指套管內(nèi)部由于溫度分布差異而形成的熱量交換。熱輻射指套管與外部環(huán)境存在溫度差（主要是指套管內(nèi)部溫度高于環(huán)境溫度）而向外部環(huán)境輻射熱量。

1.2 等效集總RC熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

套管的溫度分布特性可等效為集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型，即套管內(nèi)部可等效為熱阻R和熱容C串、并聯(lián)組成的熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，內(nèi)部熱源可等效為恒熱流源，

圖1 套管結(jié)構(gòu)及熱流分布

外部熱源可等效為恒溫源。根據(jù)套管結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)，相關(guān)的計(jì)算公式和關(guān)系為：

其中，Q1為導(dǎo)桿熱源；K為導(dǎo)桿趨膚效應(yīng)折算系數(shù)；R為導(dǎo)桿電阻，與溫度相關(guān)；R0為20 ℃的電阻值；α20為電阻溫度折算系數(shù)；T為實(shí)際溫度；Q2為介質(zhì)損耗熱源；U為導(dǎo)桿電壓；f為電壓波形頻率，工頻下為50 Hz；C為介質(zhì)等效電容；tanδ為介質(zhì)損耗角正切值，與溫度有關(guān)；tanδ20為20 ℃下的介質(zhì)損耗角正切值；Rr為軸向熱阻，k為介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，L為介質(zhì)長(zhǎng)度，r0為介質(zhì)外半徑，r1為介質(zhì)內(nèi)半徑，Rl為徑向熱阻。

2 干式套管內(nèi)部等效集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)套管安裝結(jié)構(gòu)和集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型，可得到干式套管的集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 干式套管集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型

其中Qi為內(nèi)部總熱源，Ui為空氣和變壓器油組成的熱源，Ri為界面熱阻，Rji為軸向介質(zhì)熱阻，Rji(i+1)為徑向介質(zhì)熱阻，Rti為軸向傘裙熱阻，Rti(i+1)為徑向傘裙熱阻，Rfi為軸向法蘭熱阻，Rfi(i+1)為徑向法蘭熱阻，Cji、Cti和Cfi分別為套管介質(zhì)、傘裙和法蘭的熱容。將套管進(jìn)行n層分層劃分，根據(jù)集中RC熱網(wǎng)絡(luò)模型原理，各層網(wǎng)絡(luò)關(guān)系為：

將空氣和變壓器油的等效穩(wěn)壓源轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度代入式（7）、式（8），即可根據(jù)實(shí)際分層劃分情況，計(jì)算出套管內(nèi)部各分層劃分部分的平均溫度。

3 模型仿真計(jì)算及有限元仿真驗(yàn)證

3.1 模型仿真計(jì)算方法

集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型可以算出網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值。因此，選擇套管導(dǎo)桿、套管介質(zhì)中部和復(fù)合硅橡膠傘裙的溫度情況作為輸出變量，研究三個(gè)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間的溫升情況。對(duì)于式（7）、式（8）構(gòu)成的矩陣方程，選擇牛頓-拉夫遜法求解。

3.2 有限元仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證集總RC熱網(wǎng)絡(luò)熱模型計(jì)算結(jié)果的有效性和正確性，用有限元仿真的方法，在A(yíng)nasys中以溫度-熱流耦合場(chǎng)對(duì)干式套管的溫度分布特性進(jìn)行仿真研究。選取套管導(dǎo)桿、套管介質(zhì)中部和復(fù)合硅橡膠傘裙為對(duì)象，獲取的溫升曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型與有限元模型計(jì)算套管溫升對(duì)比

集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型和有限元模型的溫升情況基本一致，驗(yàn)證了RC熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算套管內(nèi)部溫度分布狀態(tài)的有效性。

4 結(jié) 論

基于集總RC熱網(wǎng)絡(luò)模型，針對(duì)干式套管內(nèi)部溫度分布提出了一種簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證了它的有效性。在已知環(huán)境溫度、變壓器油溫、變壓器負(fù)荷和變壓器運(yùn)行電壓的條件下，根據(jù)計(jì)算精度需求，可以方便地計(jì)算套管內(nèi)部的溫度分布情況，并以此作為套管介損和絕緣電阻數(shù)據(jù)的折算依據(jù)，獲取套管真實(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。