直流分压器暂态温升研究的意义

作者： 国自电气 时间：2024-06-26 09:26:38 阅读：26

直流分压器在量值溯源、实验室等场合工作时间较短，其暂态温升会导致测量误差。绝缘介质为流体的实验室用直流分压器的传热过程，利用电学、热学、流体力学的多场耦合构建了其暂态温升和冷却过程的数学模型，并以500kV实验室用油绝缘直流分压器为例对其暂态温升及冷却特性进行计算分析。结果表明：变压器油的非等温流动将导致分压器上端温度高于下端，过小的绝缘套管内径使变压器油的非等温流动集中在相邻分压电阻间隔内，导致分压器最大温升、分压电阻上最大温差以及热时间常数均增大。在计算条件下，套管内径较小的直流分压器在额定工况下工作2h后，分压器表面最高温度高达76.5 ℃，自然冷却11h后温度才能降低至 60 ℃。本研究对直流分压器结构设计及实验室应用具有指导意义。

高压直流输电具有输送距离长、输送容量大、稳定性高等优点，目前被广泛应用于远距离、大容量输电和电力系统联网。随着特高压直流输电的不断发展，直流实验的开展频率日益增加，直流参数的测量问题也受到越来越多关注。直流分压器是高压直流实验中不可缺失的重要设备，承担着电压测量等重要作用，其性能直接影响着实验结果的可靠性。直流分压器通常采用电阻分压。实验过程中，直流分压器的温度会逐渐升高，且由发热元件产生的热能会被流体绝缘介质带到分压器上端，导致直流分压器内部上端和下端出现较大的温度梯度，视电压等级的不同，这种温差可达 30K或 40K以上。由于分压电阻的阻值与温度相关，这种纵向的温度梯度将造成测量误差。实验后，若实验人员靠近温度过高的直流分压器，将会造成烫伤。因此，对直流分压器测量直流电压过程中的暂态温升进行计算，有助于分析测量不确定度，改善直流分压器结构，保障实验员人身安全。

利用 Ansys fluent 软件对±1 100kV阻容式SF6绝缘直流分压器内部的稳态温度场进行了优化设计，提出了同轴双气室整体循环均热方式和顶端法兰盖板加装高效涡流热交换器的优化方式。利用热平衡条件计算了传统直流分压器的稳态温升，研究了阻容分压器的温度分布和散热情况以及空气温度、分压器功率对变压器油温度的影响，但文中没有考虑变压器油的流动特性，并假设分压器中变压器油的温度是均匀的，这将导致较大的模型误差。以上研究都是针对直流分压器内部的稳态温度场进行计算，而直流分压器的热时间常数较大，实验过程中，需要较长时间才能达到稳态温度分布，所以对实验室用直流分压器内部温度分布的研究应重点关注暂态温升。针对绝缘介质为高导热系数固体物质的直流分压器，进行了温度场的时域计算和测量试验，结果表明直流电阻分压器达到热平衡所需时间较长，约为10h，但文中未对绝缘介质为流体时的暂态温升进行计算分析。文中分析了绝缘介质为流体的实验室用直流分压器的传热过程，并利用电学、热学、流体力学的多场耦合，构建了其暂态温升的数学模型，并以500 kV实验室用油绝缘直流分压器为例，对其暂态温升进行计算，分析暂态温升特性，以及绝缘套管内径对其温升特性的影响。

直流分压器传热过程：实验室用直流分压器呈长圆柱体形，内部分压电阻呈螺旋状或之字形排列，并竖直放置在充满绝缘介质的圆柱形绝缘套管中，绝缘介质常使用变压器油、SF6等，绝缘套管的上、下两面用圆形金属法兰进行密封。分压电阻臂通常由多个电阻串联而成，相连电阻间用导电优良的导线连接，若直接对其进行建模并利用有限元法进行数值计算，将出现大量小导体，难以剖分，且计算收敛性和精度大幅下降。为便于建模计算，将分压电阻简化为直径与实际相同的圆柱体。同时，为保证简化前后的发热功率不变，简化后的等效体积电阻率通过各分压电阻臂总电阻值不变的原则进行计算。