环氧树脂浸纸式变压器套管的温度场仿真验证

环氧树脂浸纸式变压器套管的温度场仿真验证

王慧民洪波

（沈阳和新套管有限公司辽宁沈阳110144）

摘要：环氧树脂浸纸干式套管采用环氧树脂浸纸复合材料作为主绝缘绝缘介质，相对油浸式套管，其绝缘性能和耐热性能都有较大的提高，但其导热性能较差，这给产品在长期运行过程中的耐热性提出了质疑。因此，为了得到干式套管内部的热特性（模拟运行状态时的温度分布特性），通过建立干式套管的温度场计算模型和网格结构，进行产品温度的仿真计算，获得产品芯体内的温度场分布，这对干式套管产品的结构设计、绝缘材料的选定、运行和监测工作具有重要的指导意义。本文以550kV/2000A干式套管为例，利用ANSYS软件进行温度场仿真验证。

关键词：干式套管；温度场计算模型；仿真模拟

1、套管温度场仿真模型建立

环氧树脂浸纸干式套管主要包括以下结构部件：导电杆、绝缘芯体、复合套玻璃钢内套筒、安装法兰、升高座、均压屏蔽等。其中导电杆为空心，导电杆、芯体与玻璃套筒之间同样充满固体绝缘材料。

试验室条件下套管温升与实际运行条件下有所不同。试验室内测量套管温度时，没有安装玻璃钢内套筒与安装法兰，故其散热环境与实际运行环境有所区别。这种区别反应在数值仿真中就是计算模型与边界条件上的差别，试验室条件下套管温度计算模型见图1。

图1试验室条件下套管温度计算模型

2、套管温度场仿真模型网格建立

采用有限体积法通过数值仿真来模拟套管中热量传导过程，并得到整个套管的热量分布。有限体积法是将几何模型解剖分成网格体单元，将物理控制方程离散到网格体单元上进行差分计算。为保证计算精度，本次对套管模型采用纯六面体网格剖分。在绝缘填充体与芯体表面间，保证壁面法向网格尺寸小于1mm，以更准确捕捉芯体表面与填充体间共轭换热过程。

套管网格划分后的模型及温度分布情况见图2和3。

图2产品建模情况图3温度分布情况

3、套管温度场仿真计算模型

3.1热源处理

干式套管中的热量来源主要油两部分：导电管通电流后产生的热量和芯体本身产生的热量。经计算，芯体里产生的热量不足导电管产生热量值的1%，计算中将其忽略。

导电管发热量与温度相关，因为温度的变化会改变导电管材料的电阻值，而电阻值的变化会直接影响发热量。导电管温度又是由其发热量与套管结构决定的，故导电管的温度与发热量两个变量间是相互影响的，因此，只有通过耦合求解才能给出准确结构。

ANSYS软件采用有限体积法来求解流体场。在计算中，求解方程在每个网格体单元上进行计算，并给出每个求解单元上的所有物理量参数值。由于每个网格体单元上有不同的温度，故网格体单元上的电阻率不同，其体热流密度也是不同的。导电杆的损耗与温升耦合计算中就是要对每个单元上的体热流密度进行修正。

3.2物理模型

导电管产生的热量一大部分要通过芯体向外传导，而芯体的导热系数随温度变化较大，环氧树脂导热系数随温度变化曲线见图4。本次通过实验测量出芯体材料（环氧树脂浸纸复合绝缘材料，测出的结果不包含芯体内铝箔的传热影响）导热系数随温度的变化关系曲线。在计算中，将该关系曲线添加到材料的热传导属性中。这样材料的传热系数即随可以温度变化，计算结果更精确。

图4环氧树脂导热系数随温度变化曲线

3.3边界条件

干式套管底部浸在变压器油中，油温与油的流对套管底部散热有一定的影响。本次模拟产品的实际运行状态，模拟计算中在升高座下部建立一个油流区，该区域的流速、温度与油箱中的油流速、油温基本一致。这样，在计算中油箱中油对套管温升的影响就考虑进来了。

外侧边界是套管裸露在空气中的部分，套管中的绝大部分热量最终是从该处散到空气中的。热量在该处的传递方式有两种：对流换热与辐射换热。

套管外侧的下部是升高座，升高座的外表面是金属铁。对于外表面光滑的金属铁，对流换热系数在15W/m2•k左右。升高座上部套管外表面是法兰，同样换热系数在15W/m2•k左右。再向上是玻璃钢内套筒，套管外部有大量伞状结构，该结构增大了散热面积，故该处散热系数较大，约在30W/m2•k左右。试验室条件下套管温度计算边界见图5。

图5试验室条件下套管温度计算边界

对于固体辐射来说，辐射是由距离暴露表面约1μm之内的分子发出的。绝缘材料的辐射发射率较大，一般大于0.7；而纯金属材料的辐射发射率较低，一般低于0.3；同时对于变压器升高座部分，若金属外表面涂有漆膜，则其辐射发射率由漆膜决定，本次中升高座与玻璃钢套筒发射率均取值0.8。

4、套管温度场仿真模拟计算结果

试验室条件下，芯体表面裸露在试验装置内。数值仿真时需给出芯体外部的空气温度与芯体表面与外部空气间的换热系数。将计算所需参数与边界条件汇于下表。

表1模拟计算参数

图6整体温度分图7油中部分和导电杆温度分布

计算结果显示，热点在导电杆下端，最高热点温度为102.3℃，位于套管芯体的中下部（自上而下约4/5处）。由温度云图可以看出，下部油温较高使得下部换热条件较差，故芯体下部温度较高。

5、结论

本文利用ANSYS软件对550kV环氧树脂浸纸式变压器套管模型施加2000A的额定电流后进行温度场仿真计算。着重介绍了模型建立、网格的划分及边界条件的处理情况。计算结果表明，热点在导电杆中下端（自上而下约4/5处），热点温度为102.3℃。由温度云图可以看出，下部油温较高使得下部换热条件较差，故芯体下部温度较高，但完全满足小于120℃（E级绝缘）的运行要求，并留有一定的裕度。经过仿真计算为套管的载流和绝缘结构设计具有重要的参考价值，为产品的结构改进提供的基础依据。

参考文献：

[1]王新月；基于DSP的干式变压器温升监控装置研究[D]；哈尔滨理工大学；2011年

[2]崔伟；变压器绕组温度场的研究[D]；华北电力大学；2011年