基于CFX的±800kV干式空心平波电抗器温度场仿真分析

基于CFX的±800kV干式空心平波电抗器温度场仿真分析

赵旭阳1，崔箫2，张忠民3

（1.沈阳安世亚太科技有限公司，沈阳；2.沈阳工程学院，沈阳；3.特变电工股份有限公司，新疆）

摘要：为了验证干式空心平波电抗器温升是否满足要求，本文围绕实际产品采用三维数值分析软件对产品温度场进行模拟，得到了温度场分布特征，通过与试验数据的对比分析，进一步验证了计算的合理性与准确性，为特高压产品的设计提供了理论指导，也提供了一种验证干式空心平波电抗器温升的方法。

关键词：干式空心平波电抗器；特高压；仿真计算；温度场

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0引言

特高压干式空心平波电抗器的温升试验是产品出厂前必须要做的，通过这一指标是否合格来判断产品是否能够长期可靠、安全的运行。然而电抗器大多裸露在自然环境中，采用自然对流方式冷却，由于特高压产品电流较大，损耗较高，包封内线圈温度较高，不合理的设计可能会使线圈温升不合格，甚至超过绝缘耐热要求而导致绝缘失效对整个电网造成破坏。

为了能够在产品设计阶段准确预测产品的温升，本文以某台±800kV的特高压电抗器产品为例，采用全三维数值仿真技术模拟产品换热过程。

1仿真中采用的换热技术

1.1空气与线圈间的共轭换热

首先，线圈内部由于温差会进行热传导，由于线圈为金属材料，其导热系数较大，故在一层线圈上，沿圆周方向温度梯度较小，可以忽略圆周方向的热传导。沿高度方向的

热传导是由于各层热流密度不均造成。可将各层线圈损耗结果以热流密度形式加入到计算模型中，计算由此而引起的温度分布。

其次，线圈与空气间会产生热对流，实际中线圈外部包有绝缘材料，使得空气与线圈间不直接接触，计算中采用薄壁模型，无需建立绝缘材料实体，可直接在计算中虚拟加入绝缘材料厚度，并考虑材料导热特性。

再次，冷热空气之间也会形成热对流，由于空气被加热密度减小，热空气上升冷空气下降，这样就形成了自然对流，计算中采用浮力模型可以模拟这一问题。

1.2线圈内热电耦合

线圈中的损耗会影响温度变化，而温度变化会影响线圈电阻，从而影响线圈损耗，因此，温度与损耗是一对相互影响的变量，如果不考虑这部分耦合影响，计算会出现较大偏差。计算中加入损耗与温度的耦合，保证计算准确性。

1.3线圈辐射换热

由于产品直接暴露在外界环境中，因此热辐射对产品温升有较大影响，计算中加入了热辐射模型。

2几何模型与网格划分

如图1、2所示，采用ICEM软件划分六面体网格。空气道间保证最少10层网格。为了精确计算，第一层网格尺寸为1mm，以保证在附面层内有足够的计算网格节点。

3计算结果与试验数据对比分析

从图3可以看出，空气经过包封加热后密度变小向上流动，在两个防雨帽之间流速最快。从图4中可以看出高温度区出现在各包封的偏上位置，这是由于热空气向上流动，导

致上部温度过大，因此在产品设计时要注意线圈端部的损耗要略小些。从图4中我们还可以看到最外侧以及靠近外侧、最内侧以及靠近内侧的包封温度要比其他位置的包封温度低一些，这是由于加入了辐射模型，最外侧和最内侧向空气辐射热量的效果最好。温升数据对比见下表：

这里的环境温度取当地的年平均环境温度29.5℃。热点温升试验数据采用光纤测量，光纤探头放置在距离包封上端面120mm的位置。从上表对比中可以看出，热点温升的计算值比试验值最多高4.5K，二者之间的差值小于5K，基本吻合。

4结语

通过对结果云图的分析，试验数据与计算数据的对比，证明采用共轭换热结合线圈内热电耦合模型并加入辐射模型的仿真结果基本满足干式空心平波电抗器的实际运行情况。仿真分析最热点温升的位置可以为试验测量最热点位置提供一定的理论依据，也为产品设计指出了需要注意的位置，同时这种计算方法也可以作为一种产品温升的验证手段。

参考文献：

[1]姜志鹏，文习山，王羽，陈瑞珍，曹继丰，陈图腾.特高压干式空心平波电抗器温度场耦合计算与试验[J].中国电机工程学报，2015，35（20）:5344-5350.

[2]岳永刚，格日勒图，周广东.干式空心电抗器温度场仿真计算及试验分析[J].现代计算机，2017，（36）：48-52.

[3]姜志鹏，周辉，宋俊燕.干式空心电抗器温度场计算与试验分析[J].电工技术学报，2017，32（3）：218-224