特高壓直流電壓互感器換熱結構設計及其對誤差特性的影響研究

2022-01-13 14:20:38汪本進王睿晗吳士普葉子陽徐思恩

電測與儀表 2022年1期

汪本進，王睿晗，吳士普，葉子陽，徐思恩

(1.中國電力科學研究院有限公司武漢分院，武漢 430074； 2.國網四川省電力公司，成都 610064)

0 引言

為實現“雙碳”目標，國家電網公司將進一步推進特高壓直流建設以提高輸送清潔能源的效率[1]。作為直流輸電系統中最基本的傳感單元，直流電壓互感器(DCVT)，承擔著電能計量、電量監測、繼保信號傳送等重要作用[2-3]。作為測量裝置，其準確度和穩定性是衡量DCVT性能好壞的最重要的指標參數[4]。同時隨著以新能源和多網融合的數字賦能的新型電力系統的不斷發展，電網對電量測量的精度要求越來越高。電阻是DCVT的主要元件，故電阻溫升是影響測量誤差最主要的因素[5-6]。因此需對該問題開展深入研究，提高DCVT的測量精度，以適應新型電力系統的需要。文獻[7-9]均對采用SF6氣體作為絕緣介質的DCVT溫升進行了仿真。其中，文獻[7-8]重點分析了溫升對分壓比誤差的影響。研究結果表明溫升對分壓比誤差影響較大，且電壓等級越高影響越大。針對直流互感器的散熱方式，文獻[9]研究了DCVT散熱方法，提出一種自熱式線繞精密高壓分壓器的強制空氣冷卻法。采用該方法后，分壓比的不確定度從35 ppm提高到20 ppm，但該方法只適用于電壓等級低的設備。文獻[10]對采用油介質的DCVT內部溫度場進行了計算，得到與采用SF6作為介質的一致的結果：溫升對分壓比誤差影響較大，且油介質條件下最大的誤差可達1.584%。論文的研究對象是±800 kV DCVT，與±500 kV DCVT相比在散熱結構上存在明顯差異。最主要的區別是設計的互感器采用內外雙氣室結構，整個分壓單元是一個氣室，即內氣室。而±500 kV互感器分壓單元不是一個完整的氣室，它是照分壓單元數從上到下分為5個氣室。兩種不同的散熱結構導致電阻溫升存在較大的差異，為此文中重點針對±800 kV DCVT的電阻溫升及其對互感器的誤差影響開展分析討論。

電阻溫升大小與DCVT的分壓單元、換熱結構的設計、電阻材料(溫度系數)的選擇等密切相關，尤其是換熱結構的設計至關重要。為改善特高壓DCVT的換熱，減小溫升與氣室內軸向溫差帶來的影響，設計了一種渦旋式換熱結構的新型DCVT，并通過數值仿真與分壓比誤差測試試驗對電阻溫升與氣室內軸向溫差的改善效果進行了驗證。

1 渦旋式換熱結構的DCVT設計

1.1 分壓體的設計

DCVT一般采用阻容分壓結構[11-12]，如圖1所示。

圖1 互感器整體結構Fig.1 Transformer overall structure

圖1中，UH與UL分別為高壓端與低壓端的電壓；RH與RL分別為高壓臂電阻與低壓臂電阻；CH與CL分別為高壓臂電容與低壓臂電容。電阻Ri與電容Ci并聯為一個高壓臂阻容單元[13-15]。設計的±800 kV特高壓DCVT高壓端共有16個阻容單元32節并聯電阻(RH=400 MΩ，CH=206.25 pF)，每一阻容單元的具體構成如圖2所示。

圖2 單節阻容單元具體構成Fig.2 Single-section blocking unit concrete

圖2中，每4個電阻(單個電阻阻值為50 MΩ)并聯為一節，每兩節電阻串聯即為R1，圖中電容并聯接在兩端，在過電壓作用時起到保護設備的作用[16-17]。為使內部電壓均勻和減小泄漏電流，每一分壓單元設計了兩個半徑相等，徑向高度不同的均壓環。

1.2 電阻選型

對DCVT而言，電阻是決定其測量精度的關鍵。文獻[18-19]指出電阻測精度與電阻溫度系數，電壓系數應滿足：

|TC·Δtmax|+|VC·ΔUmax|≤α

(1)

式中α是DCVT的測量精度；Δtmax為額定電壓下DCVT內部的最高溫升，℃；ΔUmax為單個電阻的最大電壓變化量，V；TC為電阻的溫度系數，℃-1；VC為電阻的電壓系數，V-1。

設計中DCVT的測量精度為0.2級，即α=0.2%。設計要求直流電壓互感器最大電壓變化范圍為其額定電壓的10%～150%，故每個電阻單元電壓測量變化范圍為ΔUmax=(150%-10%)×800/32=35 kV。利用式(1)可得電阻溫度系數與電壓系數與溫升關系如圖3所示。

圖3 電阻溫度系數與電壓系數和溫升的關系Fig.3 Relationship between resistance temperature coefficient and voltage coefficient and temperature rise

由圖3可知，隨著溫升的增大，滿足測量精度所要求的電阻電壓系數與溫度系數均減小。綜合考慮：溫度系數取25×10-6℃-1，電壓系數取20×10-9V-1。電阻的設計參數如表1所示。

表1 電阻參數Tab.1 Material parameters of resistance

1.3 換熱結構的設計

渦旋式換熱器配合雙氣室的換熱結構是本DCVT的最大特點。其中，雙氣室結構如圖4所示。

DCVT內外氣室(絕緣需要采用兩個氣室設計)均采用SF6作為絕緣氣體。電阻發熱會使氣體在兩個氣室之間循環流動。由于頂部加裝了渦旋式換熱器，它可加快氣體在兩個氣室之間的循環流動的流速，從而加快了SF6氣體與電阻的熱交換，一方面加速了內部溫度均衡，另一方面通過氣體與電阻的熱交換降低了電阻溫升速度。渦旋式換熱器的結構示意圖見圖5。

圖5 渦旋式換熱器結構示意圖Fig.5 Structure diagram of vortex heat exchanger

渦旋式換熱器采用雙層結構設計。外部采用排孔形式，內部裝有渦旋狀的直肋換熱片。排孔為氣體流動提供通道，內部采用肋片形式則最大化增大氣體與之接觸面積，從而使換熱效率達到最優[20]。圖6是渦旋式換熱器實物。

圖6 渦旋式換熱器實物圖Fig.6 Vortex heat exchanger physical object

2 DCVT內部溫升計算

2.1 溫升計算數學模型的建立

可將SF6的流動看成不可壓縮氣體的層流流動。故可建立DCVT內部溫升數學模型[20-22]：

(1)控制方程

質量守恒方程：

(2)

動量守恒方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

式中ρ、u、k、T、μ、Cp分別表示流體的密度(kg/m3)、速度(m/s)、傳熱系數[W/(m·K)]、溫度(℃)、粘性系數(Pa·s)、恒壓熱容[J/(kg·℃)];g表示重力加速度(m/s2)。計算時通過熱源與速度、溫度的關系建立溫度場與流場的耦合。

(2)邊界條件

環氧筒內壁、與底座連接面、法蘭表面滿足熱絕緣邊界條件：

n·(k?T)=0

(5)

環氧筒外壁與換熱器換熱片表面滿足對流換熱邊界條件：

(6)

計算域中固體壁面添加無滑移邊界條件：

u=v=w=0

(7)

式中h為表面傳熱系數，數值為11.4 W/(m2·K)(外部氣體為空氣)，T1為發熱電阻表面溫度(℃)，T0為環境溫度(℃)，u、v、w為氣體x，y，z方向流速。

(3)初始條件

(8)

2.2 溫升的求解

2.2.1 物理模型的建立

DCVT中均壓環、電容及支撐桿等結構對溫升影響較小，故在建模時不予考慮，圖7是建立DCVT內部溫升物理計算模型。

圖7 加裝換熱結構的DCVT模型Fig.7 Model of DCVT with heat transfer structure

2.2.2 材料賦值

模型中材料賦值如表2所示。

表2 固體部分材料參數Tab.2 Material parameters of solid part

SF6絕緣氣體的流動是DCVT內部換熱的主要形式，因此SF6的物性參數對溫升計算至關重要。論文考慮了SF6氣體物性參數隨溫度的變化。基于SRK狀態方程，對工作氣壓(0.35 Mpa ～0.4 Mpa)下SF6物性參數進行了計算，得到其密度ρ隨溫度、壓強的變化的規律如圖8所示，相應的各項物性參數擬合曲線分別如式(9)～式(12)所示:

ρ=3.66+56.79P-0.074T

(9)

Cp=640.1+1.6T+2.6×10-3T2

(10)

Mu=1.5×10-5+6.4×10-8T-7.4×10-11T2

(11)

k=0.013+8.8×10-5T+5.4×10-8T2

(12)

2.2.3 網格剖分

從網格剖分的角度來看，DCVT具有如下特點：

圖8 SF6氣體密度、溫度與壓強的關系Fig.8 Relationship between density and temperature and pressure of SF6 gas

(1)尺寸差異較大，且不規則形狀居多。換熱片厚度與環氧筒高度尺寸相差30多倍，尺寸差異大。而網格剖分的重點換熱器結構極其不規則，尤其是肋片，網格剖分困難；

(2)SF6氣體流動性強，氣、固交界面流動情況復雜，普通網格難以體現SF6的流動性[23-25]。

為解決上述問題，針對尺寸差異大的特點，在粗網格剖分的基礎上，對尺寸較小處采用六面體網格進行細分；不規則結構則是先進行結構類型劃分再進行網格精細化處理。為體現SF6流動性，在氣、固交界面采用邊界層網格剖分。具體網格剖分形式見圖9。

圖9 網格剖分結果Fig.9 Mesh subdivision results

表3是網格剖分結果。

表3 網格數與自由度Tab.3 Number of grids and degree of freedom

3 計算結果分析

為使DCVT內部溫升達到充分平衡，計算時長取為9 h(試驗驗證9 h可達發熱平衡)。為對比換熱器換熱效果，計算時電阻溫升至4.5 h時加裝換熱器，比較后面4.5 h加裝和未加裝換熱器時DCVT內部溫升情況。

3.1 溫升計算結果

由圖10～圖12可知：

(1)加裝換熱器后，可將DCVT內部溫升幅值下降10.5%(整體幅值下降4 ℃)，如圖10所示。軸向溫差從未加裝的20 ℃下降至14 ℃(見表4)，降幅達43%。

圖10 互感器內部氣室溫度分布情況Fig.10 Temperature distribution of gas chamber inside the transformer

表4 軸向溫度分布Tab.4 Axial temperature distribution

(2)圖11進一步揭示了渦旋式換熱器不但改善了DCVT的內部溫升，還改變了軸向溫度的分布。如圖13所示，未加裝換熱器時DCVT軸向溫度隨著軸向距離的增大呈現非線性變化。軸向距離小于10 m時溫度上升較為緩慢；當軸向距離大于10 m時，溫度迅速上升到最大值。加裝換熱器后，DCVT軸向溫度近似成線性變化。這是因為隨著距離的增加，電阻線性增加。在通流電流相同的情況下發熱也線性增加。這表明渦旋式換熱結構可使分壓器每節電阻發熱相同，即每節電阻的溫度系數都是相同的，從而消除了因電阻溫度系數不同造成電阻溫升不同帶來的測量誤差。

圖11 互感器內部沿軸向溫度分布Fig.11 Axial temperature distribution inside the transformer

(3)圖12是加裝換熱器結構后DCVT頂部溫度的對比。由圖12可知，未加裝換熱器時，DCVT頂部溫度都很高，均超過34 ℃；加裝換熱結構后，頂部溫度得到明顯改善，如圖12深色所示區域。該區域內的溫度均降至30 ℃以下。DCVT頂部是其內外層氣體熱量交換區域，即頂部溫升低，SF6氣體對互感器換流散熱效果好，反之則散熱效果差。圖12表明換熱器正是通過加強頂部氣流對流換熱而達到改善直流分區器內部溫升的目的。

圖12 互感器頂部溫度分布情況Fig.12 Top temperature distribution of the transformer

綜上所述，渦旋式換熱器不但對DCVT內部換熱效果良好，還能改善軸向溫差分布，減少因電阻溫升不均帶來的測量誤差。

3.2 溫升導致誤差分析

DCVT電阻溫升會導致分壓電阻阻值偏移產生分壓比誤差，DCVT溫升前后工作原理如圖13所示。

圖13 DCVT溫升前后工作原理Fig.13 Working principle of DCVT before and after temperature rise

DCVT在設計時由于工藝等問題存在基本誤差，如式(13)所示：

(13)

式中KN為DCVT的標稱分壓比；Kx為DCVT的實際分壓比。溫升后DCVT的誤差如式(14)所示：

(14)

(15)

(16)

令1/KN=A，由式(13)～式(16)可得溫升造成DCVT的誤差如式(17)所示：

(17)

安裝渦旋式換熱器配合雙氣室結構的DCVT中電阻溫升值如圖14所示。

圖14 加裝換熱結構的互感器電阻溫升值Fig.14 Value of resistance temperature rise of voltage transformer with heat exchange structure

高壓臂與低壓臂電阻偏移值分別為：

(18)

ΔRL=RL·TC·ΔTL

(19)

式中TC為電阻的溫度系數；ΔT為電阻產生的溫升(數值見圖15)；±800 kV DCVT的標稱分壓比為4 000，即KN=4 000，由式(17)～式(19)可知，溫升造成DCVT的誤差為0.025%，由此可知溫升對DCVT測量精度影響較小，滿足0.2級準確度要求。

4 溫升對DCVT誤差影響試驗

4.1 試驗原理

為驗證設計的正確性，開展了DCVT誤差準確度測試試驗，具體流程圖如圖15所示。

圖15 試驗流程Fig.15 Testing procedures

根據直流高壓分壓器檢定規程制定本樣機的分壓比測量試驗方案。試驗采用電壓比法，試驗原理如圖16所示。圖16(a)中F0與Fx分別表示參考直流電壓互感器與被檢直流電壓互感器；B為直流高壓發生器及其調壓控制裝置；V0與Vx為數字電壓表，具體接線如圖16(b)所示。

圖16 分壓比誤差測量試驗原理Fig.16 Test principle of partial pressure ratio error measurement

試驗選用準確級為0.1的參考DCVT進行比對，通過調壓裝置分別在正極性電壓與負極性電壓條件下調整電壓值為5%、20%、40%、70%、100%、125%、150%倍的額定電壓進行試驗，分別測量升壓與降壓過程中參考DCVT與樣品的二次電壓輸出值，并記錄對應電壓條件下的分壓比誤差值，當對應的所有分壓比誤差值均在0.2級準確度要求限值之內時，認為樣品符合測量精度的要求。

溫升試驗時施加設備運行的最高電壓Um(816 kV)，每小時在頂部法蘭位置進行一次溫度測量，當溫升<1 k/h時，認為達到設備內部達到熱平衡狀態。

4.2 試驗結果

記錄試驗過程中二次側輸出電壓，分壓比誤差計算方法如式(20)所示：

(20)

式中K1為試品的額定分壓比；KN為標稱互感器的分壓比；U1為試品的二次電壓值；UN為標準互感器二次電壓值。

圖17為在DCVT冷態、熱態兩種不同狀態下，施加不同極性電壓時互感器分壓比誤差變化曲線。這里冷態是指DCVT處于尚未運行的狀態，認為此時內部溫度與環境溫度相同；熱態是指DCVT內部經長期運行達到熱穩定的狀態。圖18為熱態下DCVT正負極性分壓比誤差變化曲線。由圖17，圖18可知：無論電壓為何種極性，熱態下分壓比誤差均比冷態誤差大，兩者誤差相差小于0.03%，與計算值0.025%相符。盡管如此，互感器在冷、熱兩種不同狀態下施加正、負極性不同電壓時，其誤差均遠小于0.2級誤差限值的要求，表明互感器的測量精度滿足要求，即渦旋式換熱結構設計確保了即使在溫升條件下互感器的測量精度也可得到保障。