基于毛細芯熱管的換流變閥側套管電-熱-流場優化研究

摘 要：

換流變壓器閥側套管在運行期間內部發熱嚴重，電場分布極不均勻，在高溫與復合電壓作用下，又進一步導致電場畸變。鑒于熱管良好的散熱與均溫性能，將套管與毛細芯熱管相結合，提出換流變壓器閥側套管熱管散熱技術。搭建了熱管套管的多物理場仿真模型，分析了電容芯體的軸向、徑向溫度與電場分布，進一步改變毛細芯孔隙率大小、熱管填充工質種類與套管故障類型，研究孔隙率與工質對熱管傳熱性能的影響以及套管故障情況下熱管的有效性。仿真結果表明，引入熱管后，套管內徑向溫度與電場最大值分別降低了41.06%、30.12%，軸向溫度與電場分布更加平均。當熱管工質為去離子水，孔隙率為0.75時熱管的傳熱性能最好。即便套管發生過熱故障，熱管仍可降低熱點溫度，減小電場畸變。

關鍵詞：閥側套管；熱管；多物理場耦合；有限元仿真；溫度分布；電場分布

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.001

中圖分類號：TM89

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）09-0001-10

收稿日期： 2024-06-24

基金項目：

作者簡介：李敏潔（2001—），女，碩士研究生，研究方向為換流變閥側套管電-熱-流耦合；

劉軒東（1972—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為直流電力設備設計、氣體絕緣與放電等離子體、高功率脈沖源、氣體開關及應用；

商高屹（1999—），男，博士研究生，研究方向為高壓直流套管絕緣結構設計與絕緣劣化機理。

通信作者：劉軒東

Optimization of electric thermal flow field in valve-side bushing of converter transformer based on capillary wick heat pipe

LI Minjie， LIU Xuandong， SHANG Gaoyi

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：

The valve side bushing of the converter transformer generates severe internal heat during operation， and the electric field distribution is extremely uneven. Under the action of high temperature and composite voltage， it further leads to electric field distortion. Given the excellent heat dissipation and temperature uniformity performance of capillary wick heat pipes， a heat dissipation technology was proposed for bushing with heat pipes. A multi-physics field simulation model of bushing with heat pipe was built based on COMSOL Multiphysics. The axial and radial temperature and electric field distribution of the capacitor core was analyzed. Further changing the parameters of the heat pipes and the type of bushing failure， the impact of different parameters of the heat pipes and the effectiveness of the heat pipe under bushing failure conditions was studied. The simulation results show that after the heat pipe is added， the maximum radial temperature and electric field inside the casing is decreased by 41.06% and 30.12%， respectively， and the axial temperature and electric field distribution becomes more even. The heat transfer performance of the heat pipe is the best when the working fluid of the heat pipe is deionized water and the porosity is 0.75. Even if there is overheating in the bushing， the heat pipe can still lower the hot spot temperature and reduce electric field distortion.

Keywords：valve-side bushing; heat pipe; multi-physics field coupling; finite element simulation; distribution of temperature; distribution of electric field

0 引 言

換流變壓器是特高壓直流輸電系統中最重要的設備之一［1］。其直流側通過閥側套管接入閥廳，其運行環境復雜。首先需承受在直流電壓上疊加含多種諧波的交流電壓組成的復合電壓，造成套管內部電場分布復雜［2-5］。其次，套管在運行期間載流桿發熱嚴重，作為主絕緣材料的環氧浸紙芯體散熱性能差，導致套管內部溫度過高，環氧樹脂電容芯體發生形變、開裂等故障，造成其絕緣性能下降［6-7］。且絕緣材料的電導率與溫度間存在密切的非線性關系，溫度梯度大會進一步加劇套管內電場畸變，威脅設備的正常運行。針對換流變干式閥側套管發熱嚴重問題，楊熙等［8］提出在載流導體外增加金屬襯管，利用內外導體的氣隙增加傳熱。王青于等［9］在載流導體內部配置導熱液體改善溫度分布。史石峰等［10］提出一種換流變閥側套管散熱的強制水冷結構，并通過溫升試驗驗證其冷卻效果。上述結構改造的確可以降低閥側套管熱點溫度、平均溫度分布，但對閥側套管本體結構改造較大，直接安裝成本較高，不具有普遍適用性。因此，找到一種適配于換流變閥側套管的散熱技術成為研究的焦點。

熱管作為高效導熱元件，在航天、交通、半導體器件中得到廣泛應用［11-14］，目前已有學者利用熱管對套管進行散熱。胡偉等［15］研究了閉式重力熱管與閥側套管一體化的傳熱性能、充液率、傾斜角度等關鍵問題。陳濤等［16］以油氣套管作為研究對象，將套管等效為有熱源的重力熱管模型進行計算，結果表明熱管可降低套管熱點溫度。趙潔［17］從熱管兩相流傳熱機理出發，設計了空心套管式結構的高溫熱管，建立了空心套管式高溫熱管設計準則。以上研究結果證實了熱管能夠有效加強套管散熱。但上述研究僅考慮熱管對套管溫度分布的影響，并未考慮溫度與電場間的耦合作用，因此并沒有得到熱管的引入對套管內電場分布的影響結果。且采用的熱管結構為重力熱管，而對于閥側套管特定的安裝情況而言，常規熱管效果有限［18-20］。毛細芯熱管在運行過程中不受重力影響，可根據設備形狀而改變自身毛細芯分布，最適用于閥側套管實際工程應用。Chen等［21］既考慮了溫度與電場間的非線性關系，也采用了最適用套管結構的毛細芯熱管，設計了應用于閥側套管散熱的新型熱管技術，但是并沒有深入研究毛細芯熱管的參數以及套管故障對其傳熱性能的影響。

針對上述問題，本文首先提出毛細芯熱管與閥側套管一體化散熱設計思路。考慮溫度與電場間的非線性關系，基于COMSOL Multiphysics建立閥側套管熱管電-熱-流耦合模型，開展引入熱管前后電容芯體的溫度場與電場分布研究。進一步改變熱管內工質種類與孔隙率，研究不同參數對熱管傳熱性能的影響，并根據實際工程情況設置閥側套管過熱故障，驗證了一體化散熱技術的可行性。

1 換流變閥側套管-熱管模型構建

1.1 幾何模型

圖1所示為±800 kV換流變閥側套管熱管的仿真模型，載流導電桿為中空圓柱體結構，毛細芯附著在載流管內壁上。環氧浸紙電容芯體是閥側套管的主要絕緣結構，共有120個鋁箔屏用于平衡芯體軸向和徑向電場，最外層的鋁箔屏與接地法蘭相連。內外均壓環和油箱中的均壓球用于平衡套管的電場，以確保套管的安全穩定運行。±800 kV換流變閥側套管的具體參數如表1所示。

模型網格劃分如圖2所示。為減少網格對仿真結果的影響，本文采用由外至內依次細化的方式對閥側套管熱管模型進行網格劃分。空氣域采用常規網格。油箱、內外均壓環、均壓球、傘裙采用細化網格。因法蘭對電場分布影響較大，且在此處常會發生電場畸變現象，故將法蘭與電容芯子、載流桿一致設置為較細化網格。需著重分析毛細芯熱管對閥側套管溫度場、電場的影響，因此，毛細芯熱管采用極細化網格。

1.2 數學模型

環氧樹脂電容芯體的電場分布主要取決于其本身的電氣特性。當在直流電壓作用下時，此時傳導電流占據主要地位，電場分布主要與環氧樹脂的電導率有關。當在交流電壓作用下時，此時位移電流較大，電容芯體的電場分布由材料的介電常數決定。本文研究的換流變壓器閥側套管，是在交直流復合電壓共同作用下運行的，故環氧樹脂電容芯子的電場分布同時受電導率和介電常數的共同作用。

電場基本分布方程可由麥克斯韋方程組進行求解：

1.3 熱管模型

毛細芯熱管的具體結構如圖3所示。毛細芯熱管的毛細力是熱管內部工質循環的推動力，穩定熱管運行工況。工質在蒸發段吸熱氣化，發生氣液相變，此處液面下降，曲率變大，毛細力增加。在冷凝段放出汽化潛熱，轉為液相工質，液面增加，曲率減小，毛細力減小。毛細力在蒸發段至冷凝段逐漸減小，因此可以依靠毛細力的作用不斷把工質吸至蒸發段，利用毛細力來克服氣相工質從蒸發段上升至冷凝段的壓力即ΔPg、液相工質從冷凝段回流至蒸發段的壓力即ΔPl，以及重力場對液體回流的壓力降。

1.4 模型參數與邊界條件設置

在閥側套管中設置的物理場包括直流電場、交流電場、固體傳熱場與層流場。±800 kV干式閥側套管仿真模型邊界條件如表2所示，參數設置如表3所示。

熱管內部換熱主要依靠于氣液相變傳熱，當熱管內部氣液相變達到穩定運行時，需對冷凝段設置飽和蒸氣壓邊界條件。

飽和蒸氣壓可按下式計算：

P=Psat（T）=PsatexpLRs（1Tref－1T）。（22）

固體傳熱場中除導電桿發熱外，工質在蒸發段吸熱的過程仍作為一個熱源，可按下式計算：

q=ρ（v·n）L。（23）

式中n為蒸發段與冷凝段邊界處的法向向量。

毛細芯熱管傳熱性能主要與其填充工質飽和蒸氣壓、恒壓熱容以及傳熱系數的大小、熱管本身的傳熱系數有關，而不同工質的飽和蒸氣壓與溫度間的非線性關系也不同。本文除去離子水作為工質外，另選乙醇、甲醇、丙酮3種工質作出對比分析，其余3種工質參數如表4所示。

2 仿真結果

2.1 電容芯體軸向、徑向溫度分布

研究毛細芯熱管引入前后，不同載流量、油溫工況下電容芯體的徑向、軸向溫度分布，結果如圖4所示。電容芯體徑向溫度呈下降趨勢，靠近載流管處溫度最高，靠近法蘭處溫度最低。當熱管未引入時，載流量為4 500 A，油溫為60 ℃，電容芯體徑向溫度值已然較高，最大溫度值達123 ℃，溫差為60 ℃。電容芯體軸向溫度先增加后減小，最熱點為120 ℃。當引入熱管后，電容芯體徑向最大溫度僅為71.8 ℃，降低了50.5 ℃，溫差由60 ℃降低為17.9 ℃。軸向溫度均勻分布，溫差在10 ℃以內。即使載流量為5 515 A，油溫升高至90 ℃，電容芯體徑向、軸向最高溫度分別僅為97.92 ℃、97.98 ℃。結果表明毛細芯熱管對套管溫度場分布具有顯著改善作用。

2.2 電容芯體軸向、徑向電場分布

圖5為毛細芯熱管引入前后，不同載流量、油溫工況下電容芯體的電場分布。電容芯體的徑向電場在法蘭附近最高，軸向電場在此處驟減。熱管引入前，即使載流量僅有4 500 A，油溫為60 ℃，徑向電場最大值依然有8.3 kV/mm，梯度差達到6.2 kV/mm。法蘭處軸向電場降低0.1 kV/mm。而引入熱管后，徑向電場最大值減小為5.8 kV/mm，下降了30.12%。軸向電場在法蘭處僅降低0.05 kV/mm，減小為原來的12。當電流增加至5 515 A，法蘭處徑向電場僅為6.1 kV/mm。引入熱管后，軸向、徑向電場分布更加均勻是因為熱管可以降低溫度值，平均溫度分布。當施加直流電壓時，電容芯體的電場分布取決于其導電性。均勻的溫度分布減少了電導率的差異，從而產生更均勻的電場分布。

3 毛細芯熱管傳熱參數研究

3.1 工質種類對熱管傳熱性能的影響

本文研究了去離子水、甲醇、乙醇、丙酮4種工質下電容芯體的徑向溫度分布，對比了不同工質下電容芯體軸向最大值溫度，結果如圖6、表5所示。不同工質下電容芯體的徑向溫度分布一致，由載流管至法蘭處呈現降低趨勢。當套管運行于載流量4 500、5 515 A兩種工況下，工質為去離子水時，電容芯體的整體徑向溫度均小于其余工質下的溫度值，且此時電容芯體的徑向溫差最小，溫度分布最平均。圖6（b）表示套管運行于載流量4 500 A，油溫60 ℃工況下的軸向溫度最大值，當工質為去離子水時，軸向溫度最小，為71.79 ℃。以上結果是因為毛細芯熱管散熱效果主要依賴于工質導熱系數與飽和蒸氣壓，而去離子水的導熱系數大于其余3種工質，在散熱時效果更好。因此可得結論，當工質為去離子水時，其傳熱性能最優。

3.2 孔隙率對熱管傳熱性能的影響

毛細芯熱管中孔隙率的不同會對熱管的傳熱性能產生較大影響，燒結金屬粉末毛細芯具有孔隙率可控優勢，其孔隙率范圍可達0.21～0.8［22-24］。由式（17）可知，孔隙率低將導致滲透率下降、工質填充率不足，熱管最大傳熱極限降低。根據式（14）可知，孔隙率的增加會降低毛細管最大毛細壓力，這將導致熱管出現燒干現象，威脅套管安全穩定運行。為更好研究適用于閥側套管的熱管參數，本文設置0.25，0.5，0.75三種孔隙率，研究載流量4 500 A，油溫60 ℃工況下，電容芯體徑向溫度分布與軸向最熱點溫度變化。結果如圖7所示。隨著孔隙率的增加，熱管的傳熱性能趨于良好，電容芯體徑向溫度最大值由71.78 ℃降低為70.50 ℃，軸向溫度最大值由72.05 ℃降低為70.5 ℃。其原因是，一方面套管本身結構細長，使得內置的銅粉燒結支撐結構復雜，孔隙率的增加并沒有很大程度上減少內部熱傳導路徑，反而增加了熱管內的工質容量，使得熱管可以承載更多的熱量。另一方面由式（18）可推導出，熱管的有效導熱系數隨著孔隙率的增加而增加，其傳熱性能也隨之增強。因此，選定孔隙率為0.75情況下，適用于閥側套管的毛細芯熱管傳熱性能最優。

4 套管過熱故障下毛細芯熱管散熱能力驗證

在導電桿安裝、換流變閥側套管運輸等過程可能會引起彈簧表帶觸指處產生金屬粉末或劃痕，或隨著套管長時間運行，彈簧表帶觸指接觸不良等造成連接處接觸電阻增加，在電流的作用下，連接處發熱量增加，引起過熱故障。為驗證套管過熱故障下熱管的散熱能力，本文基于上述研究結果，設置毛細芯熱管工質為去離子水，孔隙率為0.75，研究了彈簧表帶觸指故障處的溫度分布，電容芯體溫度與電場分布。具體故障如圖8所示。

4.1 彈簧表帶觸指過熱故障下熱場分布

圖9為載流量4 500 A，油溫60 ℃工況下彈簧觸指溫度分布云圖。未引入熱管時，彈簧表帶觸指處最熱點溫度為160 ℃，當引入毛細芯熱管后，此處整體溫度下降10 ℃。表明熱管的引入可加強套管散熱，降低故障點溫度值。

圖10為載流量4 500、5 515 A，油溫60 ℃工況下彈簧觸指過熱故障時電容芯體徑向、軸向溫度分布。無熱管時，因彈簧觸指故障發熱引起套管溫度升高，電容芯體徑向最大溫度達140 ℃，相較于套管正常運行時徑向溫度最大值（123 ℃）增加了17 ℃。軸向溫度分布仍先增加后減小，最大溫度在125 ℃左右。而毛細芯熱管引入后，溫度受故障影響小。電容芯體溫度分布更加平均，軸向、徑向溫差均在10 ℃以內，且溫度值并未有大幅增加，徑向最大溫度為72.28 ℃，相比于套管正常運行時徑向溫度最大值（71.8 ℃）僅增加0.48 ℃。軸向溫度穩定在70 ℃附近。即便載流量為增加了22.56%，電容芯體徑向、軸向溫度最大值僅穩定在79.9 ℃、78.1 ℃附近。結果表明當套管發生過熱故障時，電容芯體溫度增加，但熱管優良的散熱性能可減小溫度上升幅度，并維持電容芯體溫度在一個穩定范圍內，減小套管過熱故障對電容芯體造成的危害。

4.2 彈簧表帶觸指過熱故障下電場分布

載流量4 500、5 515 A，油溫60 ℃工況下彈簧觸指過熱故障時電容芯體電場分布如圖11所示。套管過熱故障對電容芯體的電場分布影響較小，其徑向、軸向電場并無明顯變化。相比于無故障情況下，電容芯體徑向電場最大值增加0.09 kV/mm，軸向電場在法蘭處驟減量增加0.001 kV/mm。但毛細芯熱管同樣對電容芯體電場分布有一定改善作用。當未引入熱管時，載流量4 500 A，電容芯體徑向電場差值ΔE為6.3 kV/mm，軸向電場在法蘭處降低0.101 kV/mm。引入熱管后，徑向電場差為2.26 kV/mm，降低了64.13%，法蘭處軸向電場降低0.043 kV/mm，減小了0.058 kV/mm。即使載流量為5 515 A，電容芯體的徑向電場差值ΔE僅為3.05 kV/mm。結果表明，在套管過熱故障下，熱管的引入仍可平均電容芯體電場分布。

5 結 論

本文基于COMSOL Multiphysics建立了±800 kV換流變壓器熱管閥側套管熱管的仿真模型。分析了電容芯體在不同載流量與油溫情況下的溫度與電場分布。進一步地改變熱管參數與套管故障類型，研究不同參數對熱管傳熱性能的影響及套管過熱故障情況下熱管導熱優勢的有效性。具體結論如下：

1）±800 kV換流變壓器閥側套管在運行過程中，套管內溫度較高，溫度與電場分布不均勻。當套管載流量為4 500 A，油溫60 ℃時，電容芯體徑向、軸向最熱點溫度已高達123 ℃、120 ℃，其靠近法蘭處徑向電場值最大，為8.3 kV/mm，徑向電場梯度差ΔE為6.2 kV/mm。

2）毛細芯熱管不僅可以降低電容芯體的最熱點溫度、平均溫度分布，而且對其徑向電場分布改善顯著。引入毛細芯熱管后，徑向溫差由60 ℃降低為17.9 ℃。即使電流增加了22.56%，油溫增加到90 ℃，電容芯體徑向、軸向最熱點溫度分別僅為97.92 ℃、97.98 ℃。徑向電場最大值降低為6.1 kV/mm，電場梯度差ΔE下降了70.97%。

3）載流導管內部的工質種類與孔隙率大小會影響毛細芯熱管的熱傳遞過程，4種工質的傳熱性能排序依次為去離子水gt;丙酮gt;甲醇gt;乙醇。毛細芯熱管的傳熱性能隨著孔隙率的增加而增加。當工質為去離子水，孔隙率為0.75時，熱管的傳熱性能最優。

4）毛細芯熱管具有優異的散熱性能，可有效避免因過熱故障導致套管電容芯體發生形變、開裂等事故的發生。當載流量為4 500 A，油溫為60 ℃，套管過熱故障時，毛細芯熱管的引入，一方面可降低故障點溫度10 ℃左右，另一方面使得電容芯體徑向最熱點溫度僅增加0.48 ℃，并將電容芯體軸向溫度穩定在70 ℃左右。

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（編輯：劉琳琳）