Coupling Calculation ofTemperature Field for Dry-Type Smoothing Reactor——干式平波电抗器温度场的耦合计算

Jifeng Cao¹, Tuteng Chen¹, Zhipeng Jiang², Xishan Wen², Meng Zhang³

1，Anning Bureau, CSG EHV Transmission Company, China

2，School ofElectrical Engineering, Wuhan University, China

3，Beijing Power Equipment Group, China

摘要

干式平波电抗器是高压直流输电工程的关键设备,而温度监控是检测其稳定运行的有效手段。现今，根据计算流体动力学和传热理论稳态计算流体和热场的耦合干式平波电抗的研究，正在逐步进行。本文通过简化干式平波电抗器合理的计算模型,采用有限体积法求解流体、以及温度场四分之一圆周区域表面电抗器温度场的分布特征。同时也对封装的轴向和径向温度分布进行了研究，最后验证了仿真的准确性，比较计算值与实验值,主区域的温度监控封装方案得到了提倡。

第一部分 介绍

作为一种空心电抗器、干式平波电抗器主要用于减少谐波电流和瞬时过电流高压直流系统。大多数相关研究空心电抗器关注以下方面:电感计算[1],[2],磁场计算和测量[3],[4],磁屏蔽,损失计算[6],优化设计[7],等等。如今随着多相式耦合数字计算方法的发展，流固耦合模拟温度场[8][9],振动和噪声的调查[10]——[12]逐渐成为主流的研究热点。

图1 plusmn;800kv干式平波电抗器的应用

图2 电抗器的内部结构仿真示意图

合理的冷却设计对干式平波核电抗器保持长期稳定运行起到了重要作用，如果干式平波电抗器发生过热,它可能导致过早失效,操作可靠性下降，减少使用寿命。因此,有必要根据干式平波的温度分布特征研究电抗器，并且它可以为电抗器的检测和监控提供思路。

在这一工作中,通过在对热代干式平波电抗器分析的基础之上,利用有限体积法完成流体和温度场耦合仿真模拟。对电抗器的温度分布特征进行分析，并且对最高温度位置和封装的轴向和径向分布温度进行了探究,对监控运行状态所做出的贡献给予了指导。

第二部分 干式平波电抗器模型

a：电抗器模型

plusmn;800 kv换流站的干式平波电抗器站在中国是主要的研究对象，如图1所示。显然,电抗器有一个复杂的结构如图2所示,它是由与同轴众多封装、封装之间的间隔器,两个蜘蛛臂,雨罩,音箱,消音器,斜支撑平台和连接。雨罩的设计是为了延缓老化,而音箱和消音器用于降低噪音水平。斜支撑平台可以用于提高抗震性能，蜘蛛臂建造于顶部和底部是为了提高电抗器以及当前的进口和出口终端的机械强度。除此之外，高架线路之间的每个封装在自然对流传热冷却电抗器。

b：计算模型

封装数量在21是合适的，封装H的高度是3.85米,而最大的封装只是38毫米,高度和厚度有很大的差距。因为自卷间距器和连接的蜘蛛臂的厚度很薄,这个模拟假定被忽视。为了简单起见,计算模型应该考虑温度场1/4周围地区的封装、雨罩,音箱和消声器,以生成网格模型。

因温度差异压很小,因此在电抗器内部的传热方式的主要方式是通过对流和传导。考虑外部之间的对流和辐射传热表面的雨盖,音箱和外部冷却空气,他们的表面发射率的值是0.9[13]。基于垂直平面和垂直圆柱的在传热理论的自然对流方程中,对流传热系数[14]可以从下列方程计算：

v是努塞尔特数。常数C和选择指数n Gr.g重力加速度,m / s2。aV膨胀系数,1 / K。v是运动粘度的空气,m2 / s。Delta;T墙面和空气之间的温差,K L是特征长度,m . h是对流传热系数W /(m2sdot;K)。

表1 等效体积热封装密度

雷诺数消声器内部可以得到:Re = ud / v = 45991⩾8000minus;12000。消声器的内部直径d = 1.2 m,气流速度u = 0.65 m / s,运动粘度的空气v = 16.96times;10minus;6 m2 / s。因此,采用湍流模型来解决流体和热场的耦合商业软件的干式平波流畅。作为标准kminus;ε模型可以获得现实的结果平均速度和温度[15],标准kminus;ε模型用于这项工作。

c .控制方程

耦合的稳态计算流体和温度场电抗器,一般的控制方程可以写成:

ϕ是通用的变量,可以解决速度等变量u,v,w和温度t .Gamma;ϕ广义扩散系数。Sϕ是广义源项。

上述控制方程采用商业软件FLUENT来解决。此外,计算是通过简单的算法,和一阶逆风方案用于仿真。收敛性判据,这些计算变量的归一化绝对残差小于10minus;4控制。

d .边界条件

在仿真中,环境温度设置为33.4°C,也等于306.55 k,这是在测试过程中电抗器的环境温度。

如前所述，在图2中,在底部的接口封装和假定消音器和空气流动速度入口边界。同样,雨罩和声学之间的三个接口设置围栏和空气压力出口边界。相对压力的压力出口边界是0,流速设置为0.65 m / s。

沿径向方向,每个封装从内部到外部标识为1,2,3,hellip;,21号。随着负载电流的温升，实验电抗器的电流有3480A,，电阻的封装损失由有限元计算方法实现，可用来计算每个封装的等效体积，热密度如表1所示。

e网格独立性

这个电抗器的1/4圆周区域网格是通过软件ICEM CFD建立的，模拟的方向为冷却空气的流动方向。网格模型的建立采用六面体结构网格,网格的封装是精封装。软件生成了642698位网格元件以及515777个节点,除此之外，网格模型的质量都高于0.65。

第三部分 结果和分析

a.温度场结果

基于网格模型和边界条件,流体和热场的耦合模拟干式平波用流利的执行。因此,温度分布显示可以从图3看出。从数值计算的角度来看,最高温度391.16 k位于顶部的封装领域从是从18号封装到20号封装,也证明了图4的情况。而环境温度为306.55 k,最高温升为84.61 k,它小于标准上限的90 k下额定损失[16]。消音器的通风量大,几乎不产生热量,导致消声器的温度很低。此外,热集中区域上形成的部分封装从18到20,该地区也是首席监控这个电抗器温度。如图4所示,每个封装顶部的温度高于中间和底部。

图3 电抗器内温度分布

b .流体场的结果

图5显示了电抗器的流体速度。根据流体场结果,进气的质量流率是2.0769908公斤/ s,而排气的质量流量是minus;2.0772743公斤/ s,流体质量守恒表现良好的收敛性。出口附近的最大流速出现3的音箱,其次最大流速在音箱和消音器很大的原因,是这些地区没有空气流动的阻碍。

图4 封装17号至20号的温度分布

图5 电抗器液体场流体速度分布

c.测量结果和讨论

在实验中测量温度的电抗器,光纤传感器是用来测试21号分沿径向方向的封装。这些传感器都位于15厘米点，远离于每一个封装的上端。

如图6所示,2/3的温度测量和计算值之间的差异低于5 k。从封装7和封装17的计算值比较衡量，他们的相对误差不超过5.87%。然而,1号封装的温度差异比6 - 20号封装大,并且差距要大于10 k,主要原因是简化的模型以及实验测量误差。仿真很难考虑到逆电流器封装温度的影响,以及封装之间的连接和消音器被忽略的计算模型，剩下的18号封装的温差不超过8.07 k。因此验证了模拟的准确性。

d .讨论温度特性

图7显示了4,5,6,19、20和20号封装外表面的轴向温度分布。所检测到的最高温升为3.67 m,它是近5%的封装高度。此外,其他温度分布特征如图7所示，温度曲线可分为三个部分,它们因为封

图6 各封装温度测量值与实际值的比较

装高度拥有不同的上升速度。在第一部分12% h从底部的长度0.45米,温升速率迅速增加,原因是附近的湍流流动速度进口和不发达,导致对流换热的影响很微弱。随着气道长度的增加,气流的湍流逐渐增强,这将加强封装表面与空气间的对流换热。这就导致温度上升速率在第二部分从0.45米到3.67米这84%H的部分中缓慢增加。然而，第三部分温度却有了显著下降,第三部分的长度几乎只有5%H。它会导致上层部分的温度降低。

图7 部分封装外表面的轴向温度分布

图8显示了封装的在一半高度从封装的内部径向温度分布，(Rin = 0.94 m)的外径封装21号(= 2.13米)的径向温度分布。18号封装在同一高度中拥有最高温度，20号封装的温度次之。由于封装的径向厚度和疏通线太薄，上面的山峰代表封装的温度,而峰值代表气道的温度越低,其热阻之间有很大不同,导致他们的温度是不同的。

图8部分封装外表面的径向温度分布

第四部分 总结

耦合的稳态计算流体和温度场对干式平波完成这项研究,仿真和实验结果,可以得出以下结论

仿真验证了测量值的准确性,温度的测量和计算值之间的差别大多数差距不超过5 k。

18号封装到20号封装是整个电抗器热集中区域部分。因此,该区域是电抗器温度的主要监控区。

电抗器拥有三个部分不同的轴向封装温度上升速率，第一部分占总长度12% ,温升速率迅速增加,第一部分的原因是附近流速入口和动荡并不发达。温升率加速慢慢在第二部分占总长的84% h,因为湍流发展中加强对流换热。第三节温度显著下降,由于热传导的空气从每个气道加固。

18号封装在同一高度中拥有最高温度，20号封装的温度次之。此外,因为他们的热阻之间有很大不同,导致他们的温度差异很大。

参考文献

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[8] Cao J, Chen T, Jiang Z, et al. Coupling calculation of temperature field for dry-type smoothing reactor[C]// International Conference on Electrical Machines and

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