基于集總RC 熱網絡方法的干式套管暫態溫度計算方法研究與應用

陳 昱，張 寧，李惠專，何炳峰

（廣東電網有限責任公司中山供電局試驗研究所，廣東 中山 528400）

0 引 言

電力變壓器是電網的關鍵設備，運行狀態直接影響電網的安穩運行[1]。干式套管因具有無瓷、防爆等優點，廣泛應用于電網的變壓器設備中。廣東電網有限責任公司中山供電局最近發生多起干式套管絕緣劣化，引起介損和絕緣電阻異常。因此，必須定期對干式套管開展電氣試驗，檢測其絕緣狀態，以保證滿足運行要求，避免絕緣故障的發生[2]。

1 干式套管內部等效集總RC熱網絡參數

1.1 干式套管內部熱源及熱流分析

套管結構[3]如圖1所示。套管內部各部分溫度分布和外部環境溫度不同，溫度差異存在熱量交換形成熱流。傳播特性可分為熱傳導和熱輻射。熱傳導是指套管內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境存在溫度差（主要是指套管內部溫度高于環境溫度）而向外部環境輻射熱量。

1.2 等效集總RC熱網絡參數

套管的溫度分布特性可等效為集總RC熱網絡模型，即套管內部可等效為熱阻R和熱容C串、并聯組成的熱網絡結構。此外，內部熱源可等效為恒熱流源，

圖1 套管結構及熱流分布

外部熱源可等效為恒溫源。根據套管結構和尺寸參數，相關的計算公式和關系為：

其中，Q1為導桿熱源；K為導桿趨膚效應折算系數；R為導桿電阻，與溫度相關；R0為20 ℃的電阻值；α20為電阻溫度折算系數；T為實際溫度；Q2為介質損耗熱源；U為導桿電壓；f為電壓波形頻率，工頻下為50 Hz；C為介質等效電容；tanδ為介質損耗角正切值，與溫度有關；tanδ20為20 ℃下的介質損耗角正切值；Rr為軸向熱阻，k為介質導熱系數，L為介質長度，r0為介質外半徑，r1為介質內半徑，Rl為徑向熱阻。

2 干式套管內部等效集總RC熱網絡模型

根據套管安裝結構和集總RC熱網絡模型，可得到干式套管的集總RC熱網絡模型如圖2所示。

圖2 干式套管集總RC熱網絡模型

其中Qi為內部總熱源，Ui為空氣和變壓器油組成的熱源，Ri為界面熱阻，Rji為軸向介質熱阻，Rji(i+1)為徑向介質熱阻，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、傘裙和法蘭的熱容。將套管進行n層分層劃分，根據集中RC熱網絡模型原理，各層網絡關系為：

將空氣和變壓器油的等效穩壓源轉換為實際溫度代入式（7）、式（8），即可根據實際分層劃分情況，計算出套管內部各分層劃分部分的平均溫度。

3 模型仿真計算及有限元仿真驗證

3.1 模型仿真計算方法

集總RC熱網絡模型可以算出網絡中各個節點的溫度值。因此，選擇套管導桿、套管介質中部和復合硅橡膠傘裙的溫度情況作為輸出變量，研究三個節點隨時間的溫升情況。對于式（7）、式（8）構成的矩陣方程，選擇牛頓-拉夫遜法求解。

3.2 有限元仿真驗證

為了驗證集總RC熱網絡熱模型計算結果的有效性和正確性，用有限元仿真的方法，在Anasys中以溫度-熱流耦合場對干式套管的溫度分布特性進行仿真研究。選取套管導桿、套管介質中部和復合硅橡膠傘裙為對象，獲取的溫升曲線如圖3所示。

圖3 集總RC熱網絡模型與有限元模型計算套管溫升對比

集總RC熱網絡模型和有限元模型的溫升情況基本一致，驗證了RC熱網絡模型計算套管內部溫度分布狀態的有效性。

4 結 論

基于集總RC熱網絡模型，針對干式套管內部溫度分布提出了一種簡便的計算方法，通過有限元仿真驗證了它的有效性。在已知環境溫度、變壓器油溫、變壓器負荷和變壓器運行電壓的條件下，根據計算精度需求，可以方便地計算套管內部的溫度分布情況，并以此作為套管介損和絕緣電阻數據的折算依據，獲取套管真實狀態的數據。