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文档简介
1、叠装式干式空心电抗器温度场仿真与实验分析*王珊1,张亚扶1,李春2,宿晓岚1,钟培文2,熊兰2(1.国网重庆市电力公司市区供电分公司,重庆,400015;2.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆,400044)摘要:电抗器的热稳定校核是生产设计中的重要指标,温度监测是检修维护的重要环节。电抗器温升过高造成包封绝缘损坏,严重时引发烧毁事件。本文基于有限元的方法,运用电磁场-流场-温度场理论对三相叠装式干式空心电抗器进行了温度场的仿真计算,提出了电抗器包封温度在轴向上和径向上的分布规律。研制基于物联网模式的干式空心电抗器温度在线监测系统,对某变电站内电抗器进行了多点温升测试。
2、通过对比分析,仿真值与测量值吻合良好。研究成果能够为干式空心电抗器的温度在线监测与故障诊断提供理论基础和参考依据。关键词:干式空心电抗器;温度场;COMSOL;温升;在线监测;物联网中图分类号:TM93 文献标识码:A 文章编号:1001-1390(2018)00-0000-00Temperature field simulation and analysis in field test of laminate dry-type air-core reactorWang Shan1, Zhang Yafu1, Li Chun2,Su, Su Xiaolan1, Zhong Peiwen2, X
3、iong Lan2(1. Urban Power Supply Branch, State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400015, China. 2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstract: Thermal stability check is the important
4、 indicator of design for reactor, and the as well as temperature monitoring is the important part of maintenance. Excessive temperature rise of reactor will damage the encapsulation insulation, which leads to burn in serious case. Based on finite element method, the theories of electromagnetic field
5、 and fluid field-temperature field are applied to analyze and calculate the temperature field distribution of three-phase laminate dry-type air-core reactor, thenand then, the rule of the axial and radial temperature distribution of encapsulations is proposed. An on-line temperature monitoring syste
6、m for dry-type air-core reactor based on Internet internet of Things things model is developed to test temperature rise of multi-sensors of a reactor in substation. Comparative analysis shows that the simulation values are in good agreement with test values. The research results can provide a theore
7、tical basis and reference for on-line monitoring and fault diagnosis of dry-type air-core reactor.Keywords: dry-type air-core reactor, temperature field, COMSOL, temperature rise, internet of things0引 言*基金项目:国网重庆市电力公司资助项目(2017渝电科技自52#)干式空心电抗器凭借线性度高、重量轻、机械强度高、噪声低、易维护等优点,在电力系统中得到了广泛的运用,具有逐步取代传统油浸铁芯电抗器
8、的趋势1,2。由于受到运行环境恶劣、过压、过流、谐波高、设计不当等因素的影响,电抗器在运行时温升过高,造成包封绝缘损坏,严重时引发烧毁事件3,4。电抗器的热稳定校核是生产设计的重要指标,温度监测是检修维护的重要环节。因此,对干式空心电抗器的温度场分布进行研究,具有较大的工程应用价值。国内外学者主要对单相的干式空心电抗器温度场进行研究,研究方法包括解析计算法5,6、数值计算方法7,8、实验测量法9,10。文献6通过建立和求解电抗器温度场的微分方程得到其温度分布,但是缺少实验验证计算结果的可靠性;文献8中电抗器温度场的有限容积法计算结果与实验测量结果吻合良好,但是只研究了单相电抗器的温度场;文献1
9、0通过实验的方法对电抗器包封表面温度进行测量,但是测点复杂,且不能全面获取电抗器各点温度。 近年来,有限元仿真软件广泛运用于电力设备的物理场计算,取得了良好的效果11-15。本文基于有限元法在COMSOL中对三相叠装的干式空心电抗器温度场进行仿真计算,得到电抗器的温度分布规律;通过自主研发的干式空心电抗器温度在线监测系统测量运行中的电抗器温度,由对比分析表明计算值与实测值吻合良好。本文的研究成果能够指导电抗器的温度监测布点,为定位电抗器的故障点提供理论基础。1 流场-温度场耦合数学模型本文采用流场-温度场耦合的方法分析干式空心电抗器的温度场分布,即在分析电抗器的热传导的同时,考虑周围空气流体对
10、电抗器散热的影响。电抗器采用自然散热方式,空气视为不可压缩流体,满足连续性方程、动量守恒方程及能量方程。在圆柱坐标系中,上述方程为16 (1) (2) (3) (4)式中为空气密度,为粘性系数,为流体导热系数,p为流体压力,Tl为流体温度,vr和vz分别为流体在r轴和z轴的速度。此外,电抗器与空气满足热传导方程 17: (5)式中k为导热系数,h为固体对流换热系数, Ts为固体温度,As和Aj分别为固体散热面和绝热面。联立上述方程,即可求解电抗器及周围流体的温度场分布。2 电抗器模型的建立本文对某变电站电容器组的三相串联干式空心电抗器进行了仿真。该电抗器单相容量116.9kVar,系统额定电压
11、10kV,额定电流368A,电抗率5%,额定电抗0.86。电抗器由6个包封组成(从内到外编号为16),气道宽度20mm,包封外径1.175m,包封高度0.55m。电抗器组采用叠装安放,由上至下分别为A、B、C相,底座高度为1.03m,相间距离为0.68m,如图1所示。图1 三相叠装电抗器Fig.1 Three Three-phase laminate reactor电抗器具有对称性,因此建立了二维轴对称模型,忽略星形支架、撑条的影响,只考虑包封本体。电抗器的热源为各层绕组的电磁热,由于磁场和温度场间为弱耦合的关系,因此在仿真时为了加快收敛速度,在仿真软件COMSOL的一个仿真过程中,先在频域中
12、求解电磁场,其次将解得的电磁热直接耦合为热源,进行流场-温度场的计算。与传统的仿真方法相比,该方法无需分别进行电磁场和流场-温度场的两个仿真过程,且无需在电磁场的仿真后人工计算电磁场热,而是由软件直接计算并进行耦合,简化了仿真步骤,提高计算结果的精确性。在流场-温度场的计算中,边界条件的确定如下:(1)环境温度为现场实验某时刻的实际温度32.5。(2)空气域上边界为流体出口,相对压力为0,温度为开边界;右边界为流体开边界,相对压力为0,温度为环境温度;下边界为地面,流体相对速度为0,温度为环境温度;左边界为轴对称边界。(3)电抗器包封表面为无滑移边界条件,并添加边界热辐射,辐射率取0.9。3
13、仿真结果分析3.1三相电抗器温度场分布三相叠装式电抗器温度场分布仿真结果如图2所示,可知电抗器及流体温度总体呈现由下至上温度升高的趋势。分别取三相电抗器的第三包封,对比研究其沿轴向上包封表面的温度,分析结果如图3所示。由图可知,对于每相电抗器而言,随着电抗器高度的增加,包封表面温度升高,每相的温度变化趋势相似;对比每相包封的相同高度上的温度,A相包封温度最高,B相次之,C相最低,温差在1到3 图2 三相温度场/Fig.2 Temperature field of three three-phase rector图3 各相包封温度对比Fig.3 Temperature comparison of
14、 encapsulation in each phase之间。由传热学原理可知,电抗器周围的空气受热后将会向上流动,聚集在电抗器高层的空气温度较高,图2的仿真结果与理论分析相符合。因此,电抗器高层的散热条件较差,在热源相同的情况下,叠装式电抗器顶部电抗器包封温度较底部高。3.2 单相电抗器温度场分布以A相电抗器为例,分析各包封温度分布规律。图4为各包封沿轴向方向上的温度分布图。在轴向上,各包封温度分布趋势相似:包封表面温度总体上随着高度的增加而增加,约在包封高度的95%处为包封热点。这是由于电抗器周围空气受热向上流动,空气具有粘性,在包封壁面形成温度边界层,且该边界层随着壁面高度的增加而变厚1
15、8,导致上部散热较差,温度较高。包封底部至高度5%处的范围内,湍流还没有充分形成,包封壁面与空气间的换热较差,因此温度急剧上升;包封高度的95%至顶端为气流出口处,热流与周围冷却空气换热充分,包封温度有所降低。径向方向上,同一高度处的各包封温度不同,温度大小受到包封包含的各层绕组数目、各层绕组运行电流大小、散热条件的综合影响。其中,位于中间的第三包封温度较高。B相和C相的运行条件与A相类似,因此各包封的温度分布与A相相似,在此不做赘述。图4 A相电抗器各包封轴向温度Fig.4 Axial temperature of each encapsulation in A phase reactor4
16、 干式空心电抗器温度在线监测系统4.1 系统组成为了准确、实时地采集电抗器包封温度,本文研制了一套干式空心电抗器温度在线监测系统。该系统由温度采集节点、采集终端、远程监控层组成,如图5所示。其中,温度采集节点的传感器单独设计和封装,可探入气道紧贴于干式空心电抗器包封的热点表面;温度采集节点与采集终端利用ZigBee的无线传输方式实现数据交互,避免电磁干扰,无需额外布线,便于节点的安装与增加;基于物联网的模式19,20,传感器采集到的包封热点数据由GPRS接入网络云平台,其优点在于支持节点数量的大量扩展,便于设备的管理,并且能够储存大量历史数据,便于大数据的分析和利用。网络云平台与上传的数据通过
17、APIKey作为入网的鉴权码,相互匹配和识别,通过分享应用的链接可以实现浏览器远程访问。通过对硬件和软件的优化设计,节点功耗仅为1uA、3.3V,测量精度为0.01,节点设备体积仅为33x36x8mm。根据前述仿真结果,指导温度采集节点分别安装于三相电抗器包封热点处及轴向高度的中部,云平台实时显示包封节点的温度,并对以下情形进行报警:(1)节点采集温度大于设定的阈值;(2)单相电抗器中,中部采集节点温度异常高于热点温度;(3)对于同一部位的采集节点,位于下层电抗器的温度异常高于上层电抗器的温度。图5 在线监测系统总体结构Fig.5 Overall structure of on-line mo
18、nitoring system4.2 实验分析每相电抗器分别安装两个温度采集节点,位于第三包封高度的50%和95%处,节点的安装如图6所示。实验时周围环境条件为:环境温度35.5,大气压101.3kPa,空气湿度64%,风速0.1m/s。将电抗器投入运行,约2.5h待电抗器运行稳定后读取各节点温度值。各点温度测量值与仿真值的对比如表1所示。图6 温度采集节点的安装Fig.6 Installation of temperature acquisition node表1 仿真值与测量值对比Tab.1 Comparison of simulation values with measured val
19、ues相序测点仿真值/测量值/误差/%A相50%75.2377.533.05795%78.5480.923.030B相50%74.2176.382.92495%76.3278.242.516C相50%72.1274.523.32895%73.5875.212.215仿真值和测量值的误差3.5%内,且测量值普遍高于仿真值。分析造成误差的主要原因是模型的建立时忽略了撑条,受撑条的影响电抗器的散热条件较差;另外,电抗器运行时电流中含有系统谐波,仿真时未考虑谐波的影响,因此绕组实际产生的热量较仿真值高。总之,仿真值和测量值的皮尔逊相关系数21为0.95,两者的相关性极强。5 结束语(1)应用有限元方法
20、对三相叠装式干式空心电抗器进行了温度场仿真。以电磁场计算所得的电磁热作为热源直接耦合到流场-温度场的仿真中,得到了电抗器的温度场分布。(2)总结了电抗器包封温度的分布规律。每相电抗器轴向方向上包封温度分三个区域,包封热点约位于高度的95%;径向上为第三(居中)包封温度最高。三相叠装的电抗器,位于上层的电抗器包封温度高于下层电抗器。(3)通过实验测量值与仿真值进行比较,两者误差不超过3.5%,相关系数为0.95,说明仿真计算结果具备良好的准确性;仿真结果可以指导温度采集节点的布置和作为温度报警的依据。本文的研究成果能够为干式空心电抗器温度在线监测提供理论支撑。参 考 文 献顺特电气有限公司. 树
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