CN107871037B - 一种35kV干式电抗器内部温度估算方法 - Google Patents

一种35kV干式电抗器内部温度估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种35kV干式电抗器内部温度估算方法，包含以下步骤：步骤一：获取干式电抗器的结构参数和运行参数；步骤二：建立干式电抗器有限元热‑流耦合场仿真模型；步骤三：计算干式电抗器各包封层温度及外表面温度；步骤四：根据干式电抗器各包封层温度与外表面温度，考虑实际运行电流，建立干式电抗器内部温度的估算关系式；步骤五：根据外表面温度实测值估算干式电抗器内部各包封层温度。本发明基于有限元数值仿真计算电抗器各包封层温度和外表面温度，建立两者之间的关系式，并以此作为干式电抗器内部温度的估算关系式，可以用于快速计算电抗器各包封层温度。

Description

一种35kV干式电抗器内部温度估算方法
技术领域
本发明涉及电力设备领域，特别是涉及一种估算35kV干式电抗器各包封层温度的方法。
背景技术
电抗器作为输电工程中的主要感性元件，在系统中起到无功补偿、限制短路电流、滤除高次谐波等作用。与传统的铁芯电抗器相比，干式电抗器具有价格低廉、结构简单、电抗值线性度好等技术优势。随着国民经济的持续发展，电网规模日益增大，电压等级日渐提升，系统容性无功逐渐增加，非线性负荷激增，谐波污染日趋严重，电力系统对电抗器的需求不断增大。
干式电抗器的温度分布和热稳定校核是检验电抗器长期稳定性运行的重要指标。然而，干式电抗器同轴多层包封典型结构给工程运维中包封热点温度监测带来困难，只能对电抗器外表面温度进行测量，若不能及时发现并解决持续性过热故障，不仅会缩短电抗器的工作寿命，严重时甚至会引发起火烧毁等恶劣事故，对电力系统的安全运行造成极大的危害。
目前计算干式电抗器温度分布的计算方法包括解析法和数值法等。解析法主要过程是通过推导包封损耗解析公式，在等电流密度原则的基础上，进一步推导包封温升的解析计算公式，但计算过程比较复杂，计算难度较大。数值法适应复杂区域形状的能力强，对于干式电抗器的温度场计算，求解具有较高的精度，但是对于每一台干式电抗器都采用数值法进行求解，工程量大，将会耗费大量的时间和人力。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提供一种快速、有效地估算干式电抗器内部温度的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种35kV干式电抗器内部温度估算方法，包含以下步骤：
步骤一：获取干式电抗器的结构参数和运行参数；
步骤二：建立干式电抗器有限元热-流耦合场仿真模型；
步骤三：计算干式电抗器各包封层温度及外表面温度；
步骤四：根据干式电抗器各包封层温度与外表面温度，考虑实际运行电流，建立干式电抗器内部温度的估算关系式；
步骤五：根据外表面温度实测值估算干式电抗器内部各包封层温度。
步骤一所述干式电抗器的结构参数包括干式电抗器的高度、各包封层的内径和外径、包封层数、各绕组的匝数、每匝导线的根数、每匝导线的平均长度以及单根导线的截面积；运行参数包括额定电压以及各包封层电流。
步骤二所述建立干式电抗器热-流耦合场仿真模型包括干式电抗器热-流耦合场数学模型的建立和干式电抗器热-流耦合场物理模型的建立。
进一步地，所述干式电抗器热-流耦合场数学模型的建立是根据干式电抗器的散热方式为空气自冷，建立干式电抗器热传导和热对流数学模型；所述干式电抗器热-流耦合场物理模型的建立是根据干式电抗器的结构参数在COMSOL仿真软件中进行模型的建立。
步骤三所述各包封层温度包括各包封层上部最高温度θt(i)、中部最高温度θm(i)和下部最高温度θb(i)，其中i为自电抗器中心由内向外第i包封层，所述各包封层上部、中部、下部为在电抗器高度方向进行三等分，按距离地面远近分为上部、中部、下部，其中距离地面最近的为下部。
步骤三所述外表面温度包括外表面上部最高温度θt0、中部最高温度θm0和下部最高温度θb0，所述外表面上部、中部、下部为在电抗器高度方向进行三等分，按距离地面远近分为上部、中部、下部，其中距离地面最近的为下部。
步骤四所述考虑实际运行电流是考虑各包封层在外表面温度基础上的温升与实际运行电流之间的关系，所述建立干式电抗器内部温度的估算关系式为建立各包封层上部最高温度θt(i)与外表面上部最高温度θt0及实际运行电流I之间的关系式、各包封层中部最高温度θm(i)与外表面中部最高温度θm0及实际运行电流I之间的关系式、各包封层下部最高温度θb(i)与外表面下部最高温度θb0及实际运行电流I之间的关系式。
步骤五所述外表面温度实测值为现场运行实际测量得到的外表面上部最高温度θtr0、中部最高温度θmr0及下部最高温度θbr0；所述估算干式电抗器内部各包封层温度为将电抗器外表面实测值代入所建立的各包封层温度与外表面温度及实际运行电流的关系式中进行估算。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明基于有限元数值仿真计算，对于同一型号干式电抗器只需建立一次模型并进行仿真计算即可，比解析法更简便。
二、本发明根据干式电抗器有限元温度场仿真计算结果建立各包封层与外表面的关系式，可用于对其他运行的电抗器内部温度进行快速估算。
附图说明
图1是本发明35kV干式电抗器内部温度估算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参看图1，本发明的35kV干式电抗器内部温度估算方法，包括以下步骤：
步骤一：获取干式电抗器的结构参数和运行参数；
具体地，获取干式电抗器的结构参数，包括干式电抗器的高度、各包封层的内径和外径、包封层数、各绕组的匝数、每匝导线的根数、每匝导线的平均长度以及单根导线的截面积；获取干式电抗器的运行参数，包括额定电压以及各包封层电流。
步骤二：建立干式电抗器有限元热-流耦合场仿真模型；
具体地，首先建立干式电抗器有限元热-流耦合场数学模型，考虑电抗器的散热方式为空气自冷，建立干式电抗器热传导数学模型和热对流数学模型。
热传导方式下，干式电抗器的温度场属于有内热源轴对称的稳态温度场，其温度分布函数为：
Figure BDA0001445438870000031
式中：r，z为空间坐标，单位：m；T为介质的温度，单位：K；λ为介质的导热系数，单位：W/(m·K)；qv为单位体积介质的产热量，单位：W。
热传导方式下温度场的计算一般会涉及到3类边界条件。
第1类边界条件：规定了边界上的温度值。
Figure BDA0001445438870000041
式中：Γ为物体的边界；Tw为已知的边界温度，单位：K；f(r,z)为已知的边界温度函数，该函数随着位置的变化而变化。
第2类边界条件，规定了边界上的热流密度。
Figure BDA0001445438870000042
式中：q2为已知的热流密度，单位：W/m2；g(r,z)为已知的热流密度函数。
第3类边界条件：规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体的温度。
Figure BDA0001445438870000043
式中：α为物体与周围流体间的表面传热系数，单位W/(m2·K)；Tf为周围流体的温度，单位：K。
干式电抗器与空气的热交换满足传热学基本方程，空气流动与传热遵循物理守恒定律，即流动过程可以用质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律来描述。这些守恒定律的控制方程可以写成如式(5)-式(7)所示。
Figure BDA0001445438870000044
Figure BDA0001445438870000045
Figure BDA0001445438870000046
式中：
Figure BDA0001445438870000047
为矢量微分算子符号；ρ为流体密度，单位：kg/m3；u为流体的绝对速度矢量，单位：m/s；F为流体单位体积所受的体积力矢量，单位：N/m3；p为流场的压力，单位：Pa；μ为流体动力黏度，单位：Pa·s；λ1为流体的导热系数，单位：W/(m·K)。
其次建立干式电抗器热-流耦合场物理模型，使用COMSOL仿真软件建立干式电抗器有限元热-流耦合场仿真模型，其中所使用的干式电抗器型号为BKK-20000/35，是35kV并联电抗器，其结构参数如表1所示。
表1 干式电抗器结构参数表
Figure BDA0001445438870000051
并根据该干式电抗器的材料参数对相关区域进行设置，其材料参数如表2所示。
表2 干式电抗器材料参数表
Figure BDA0001445438870000052
步骤三：计算干式电抗器各包封层温度及外表面温度；
具体地，根据干式电抗器的结构参数和运行参数，计算电抗器的损耗作为热源加载在相应的区域上，根据干式电抗器的运行环境设置边界条件，然后进行电抗器有限元热-流耦合场稳态仿真，计算得到各包封层上部最高温度θt(i)、中部最高温度θm(i)和下部最高温度θb(i)；以及外表面上部最高温度θt0、中部最高温度θm0和下部最高温度θb0；其中i为自电抗器中心由内向外第i包封层，各包封层和外表面的上部、中部、下部为在电抗器高度方向进行三等分，按距离地面远近分为上部、中部、下部，其中距离地面最近的为下部。
步骤四：根据干式电抗器各包封层温度与外表面温度，考虑实际运行电流，建立干式电抗器内部温度的估算关系式；
具体地，建立各包封层上部最高温度θt(i)与外表面上部最高温度θt0及实际运行电流I之间的关系式、各包封层中部最高温度θm(i)与外表面中部最高温度θm0及实际运行电流I之间的关系式、各包封层下部最高温度θb(i)与外表面下部最高温度θb0及实际运行电流I之间的关系式。
考虑到各包封层的发热量是与电流的平方成正比，所建立的各包封层温度与外表面温度和实际运行电流之间的关系式如下：
Figure BDA0001445438870000061
Figure BDA0001445438870000062
Figure BDA0001445438870000063
式中：IN为电抗器运行的额定电流，单位：A；kt(i)为各包封层上部最高温度在外表面上部最高温度基础上的温升；km(i)为各包封层中部最高温度在外表面中部最高温度基础上的温升；kb(i)为各包封层下部最高温度在外表面下部最高温度基础上的温升；η为运行电流系数，η＝(I/IN)2。
经计算得出的各包封层温度与外表面温度关系如表3所示。
表3 各包封层温度与外表面温度关系表
Figure BDA0001445438870000071
步骤五：根据外表面温度实测值估算干式电抗器内部各包封层温度。
具体地，将现场运行实际测量得到的外表面上部最高温度θtr0、中部最高温度θmr0及下部最高温度θbr0代入表3中所建立的各包封层温度与外表面温度及实际运行电流的关系式中进行估算。
上述的35kV干式电抗器内部温度估算方法基于有限元数值仿真计算电抗器各包封层温度和外表面温度，并考虑实际运行电流，建立它们之间的关系式，并以此作为干式电抗器内部温度的估算关系式，可以用于快速计算电抗器各包封层温度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种35kV干式电抗器内部温度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取干式电抗器的结构参数和运行参数；
结构参数包括干式电抗器的高度、各包封层的内径和外径、包封层数、各绕组的匝数、每匝导线的根数、每匝导线的平均长度以及单根导线的截面积；
运行参数包括额定电压以及各包封层电流；
步骤二：建立干式电抗器有限元热-流耦合场仿真模型，包括干式电抗器热-流耦合场数学模型的建立和干式电抗器热-流耦合场物理模型的建立；
干式电抗器热-流耦合场数学模型的建立是根据干式电抗器的散热方式为空气自冷，建立干式电抗器热传导和热对流数学模型；
干式电抗器热-流耦合场物理模型的建立是根据干式电抗器的结构参数在COMSOL仿真软件中进行模型的建立；
步骤三：计算干式电抗器各包封层温度及外表面温度；
各包封层温度包括各包封层上部最高温度θt(i)、中部最高温度θm(i)和下部最高温度θb(i)；
其中，i为自电抗器中心由内向外第i包封层，各包封层上部、中部、下部为在电抗器高度方向进行三等分，按距离地面远近分为上部、中部、下部，其中距离地面最近的为下部；
外表面温度包括外表面上部最高温度θt0、中部最高温度θm0和下部最高温度θb0，外表面上部、中部、下部为在电抗器高度方向进行三等分，按距离地面远近分为上部、中部、下部，其中距离地面最近的为下部；
步骤四：根据干式电抗器各包封层温度与外表面温度，考虑实际运行电流，建立干式电抗器内部温度的估算关系式；
所建立的各包封层温度与外表面温度和实际运行电流之间的关系式如下：
Figure FDA0002515421130000011
Figure FDA0002515421130000012
Figure FDA0002515421130000021
式中：IN为电抗器运行的额定电流，单位：A；I为电抗器实际运行电流I，单位：A；kt(i)为各包封层上部最高温度在外表面上部最高温度基础上的温升；km(i)为各包封层中部最高温度在外表面中部最高温度基础上的温升；kb(i)为各包封层下部最高温度在外表面下部最高温度基础上的温升；η为运行电流系数，η＝(I/IN)2；
步骤五：根据外表面温度实测值估算干式电抗器内部各包封层温度；
外表面温度实测值为现场运行实际测量得到的外表面上部最高温度θtr0、中部最高温度θmr0及下部最高温度θbr0；
估算干式电抗器内部各包封层温度为将电抗器外表面实测值代入所建立的各包封层温度与外表面温度及实际运行电流的关系式中进行估算。
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