基于毛细芯热管的换流变阀侧套管电-热-流场优化研究

摘 要：

换流变压器阀侧套管在运行期间内部发热严重，电场分布极不均匀，在高温与复合电压作用下，又进一步导致电场畸变。鉴于热管良好的散热与均温性能，将套管与毛细芯热管相结合，提出换流变压器阀侧套管热管散热技术。搭建了热管套管的多物理场仿真模型，分析了电容芯体的轴向、径向温度与电场分布，进一步改变毛细芯孔隙率大小、热管填充工质种类与套管故障类型，研究孔隙率与工质对热管传热性能的影响以及套管故障情况下热管的有效性。仿真结果表明，引入热管后，套管内径向温度与电场最大值分别降低了41.06%、30.12%，轴向温度与电场分布更加平均。当热管工质为去离子水，孔隙率为0.75时热管的传热性能最好。即便套管发生过热故障，热管仍可降低热点温度，减小电场畸变。

关键词：阀侧套管；热管；多物理场耦合；有限元仿真；温度分布；电场分布

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.001

中图分类号：TM89

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）09-0001-10

收稿日期： 2024-06-24

基金项目：

作者简介：李敏洁（2001—），女，硕士研究生，研究方向为换流变阀侧套管电-热-流耦合；

刘轩东（1972—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为直流电力设备设计、气体绝缘与放电等离子体、高功率脉冲源、气体开关及应用；

商高屹（1999—），男，博士研究生，研究方向为高压直流套管绝缘结构设计与绝缘劣化机理。

通信作者：刘轩东

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

换流变压器是特高压直流输电系统中最重要的设备之一［1］。其直流侧通过阀侧套管接入阀厅，其运行环境复杂。首先需承受在直流电压上叠加含多种谐波的交流电压组成的复合电压，造成套管内部电场分布复杂［2-5］。其次，套管在运行期间载流杆发热严重，作为主绝缘材料的环氧浸纸芯体散热性能差，导致套管内部温度过高，环氧树脂电容芯体发生形变、开裂等故障，造成其绝缘性能下降［6-7］。且绝缘材料的电导率与温度间存在密切的非线性关系，温度梯度大会进一步加剧套管内电场畸变，威胁设备的正常运行。针对换流变干式阀侧套管发热严重问题，杨熙等［8］提出在载流导体外增加金属衬管，利用内外导体的气隙增加传热。王青于等［9］在载流导体内部配置导热液体改善温度分布。史石峰等［10］提出一种换流变阀侧套管散热的强制水冷结构，并通过温升试验验证其冷却效果。上述结构改造的确可以降低阀侧套管热点温度、平均温度分布，但对阀侧套管本体结构改造较大，直接安装成本较高，不具有普遍适用性。因此，找到一种适配于换流变阀侧套管的散热技术成为研究的焦点。

热管作为高效导热元件，在航天、交通、半导体器件中得到广泛应用［11-14］，目前已有学者利用热管对套管进行散热。胡伟等［15］研究了闭式重力热管与阀侧套管一体化的传热性能、充液率、倾斜角度等关键问题。陈涛等［16］以油气套管作为研究对象，将套管等效为有热源的重力热管模型进行计算，结果表明热管可降低套管热点温度。赵洁［17］从热管两相流传热机理出发，设计了空心套管式结构的高温热管，建立了空心套管式高温热管设计准则。以上研究结果证实了热管能够有效加强套管散热。但上述研究仅考虑热管对套管温度分布的影响，并未考虑温度与电场间的耦合作用，因此并没有得到热管的引入对套管内电场分布的影响结果。且采用的热管结构为重力热管，而对于阀侧套管特定的安装情况而言，常规热管效果有限［18-20］。毛细芯热管在运行过程中不受重力影响，可根据设备形状而改变自身毛细芯分布，最适用于阀侧套管实际工程应用。Chen等［21］既考虑了温度与电场间的非线性关系，也采用了最适用套管结构的毛细芯热管，设计了应用于阀侧套管散热的新型热管技术，但是并没有深入研究毛细芯热管的参数以及套管故障对其传热性能的影响。

针对上述问题，本文首先提出毛细芯热管与阀侧套管一体化散热设计思路。考虑温度与电场间的非线性关系，基于COMSOL Multiphysics建立阀侧套管热管电-热-流耦合模型，开展引入热管前后电容芯体的温度场与电场分布研究。进一步改变热管内工质种类与孔隙率，研究不同参数对热管传热性能的影响，并根据实际工程情况设置阀侧套管过热故障，验证了一体化散热技术的可行性。

1 换流变阀侧套管-热管模型构建

1.1 几何模型

图1所示为±800 kV换流变阀侧套管热管的仿真模型，载流导电杆为中空圆柱体结构，毛细芯附着在载流管内壁上。环氧浸纸电容芯体是阀侧套管的主要绝缘结构，共有120个铝箔屏用于平衡芯体轴向和径向电场，最外层的铝箔屏与接地法兰相连。内外均压环和油箱中的均压球用于平衡套管的电场，以确保套管的安全稳定运行。±800 kV换流变阀侧套管的具体参数如表1所示。

模型网格划分如图2所示。为减少网格对仿真结果的影响，本文采用由外至内依次细化的方式对阀侧套管热管模型进行网格划分。空气域采用常规网格。油箱、内外均压环、均压球、伞裙采用细化网格。因法兰对电场分布影响较大，且在此处常会发生电场畸变现象，故将法兰与电容芯子、载流杆一致设置为较细化网格。需着重分析毛细芯热管对阀侧套管温度场、电场的影响，因此，毛细芯热管采用极细化网格。

1.2 数学模型

环氧树脂电容芯体的电场分布主要取决于其本身的电气特性。当在直流电压作用下时，此时传导电流占据主要地位，电场分布主要与环氧树脂的电导率有关。当在交流电压作用下时，此时位移电流较大，电容芯体的电场分布由材料的介电常数决定。本文研究的换流变压器阀侧套管，是在交直流复合电压共同作用下运行的，故环氧树脂电容芯子的电场分布同时受电导率和介电常数的共同作用。

电场基本分布方程可由麦克斯韦方程组进行求解：

1.3 热管模型

毛细芯热管的具体结构如图3所示。毛细芯热管的毛细力是热管内部工质循环的推动力，稳定热管运行工况。工质在蒸发段吸热气化，发生气液相变，此处液面下降，曲率变大，毛细力增加。在冷凝段放出汽化潜热，转为液相工质，液面增加，曲率减小，毛细力减小。毛细力在蒸发段至冷凝段逐渐减小，因此可以依靠毛细力的作用不断把工质吸至蒸发段，利用毛细力来克服气相工质从蒸发段上升至冷凝段的压力即ΔPg、液相工质从冷凝段回流至蒸发段的压力即ΔPl，以及重力场对液体回流的压力降。

1.4 模型参数与边界条件设置

在阀侧套管中设置的物理场包括直流电场、交流电场、固体传热场与层流场。±800 kV干式阀侧套管仿真模型边界条件如表2所示，参数设置如表3所示。

热管内部换热主要依靠于气液相变传热，当热管内部气液相变达到稳定运行时，需对冷凝段设置饱和蒸气压边界条件。

饱和蒸气压可按下式计算：

P=Psat（T）=PsatexpLRs（1Tref－1T）。（22）

固体传热场中除导电杆发热外，工质在蒸发段吸热的过程仍作为一个热源，可按下式计算：

q=ρ（v·n）L。（23）

式中n为蒸发段与冷凝段边界处的法向向量。

毛细芯热管传热性能主要与其填充工质饱和蒸气压、恒压热容以及传热系数的大小、热管本身的传热系数有关，而不同工质的饱和蒸气压与温度间的非线性关系也不同。本文除去离子水作为工质外，另选乙醇、甲醇、丙酮3种工质作出对比分析，其余3种工质参数如表4所示。

2 仿真结果

2.1 电容芯体轴向、径向温度分布

研究毛细芯热管引入前后，不同载流量、油温工况下电容芯体的径向、轴向温度分布，结果如图4所示。电容芯体径向温度呈下降趋势，靠近载流管处温度最高，靠近法兰处温度最低。当热管未引入时，载流量为4 500 A，油温为60 ℃，电容芯体径向温度值已然较高，最大温度值达123 ℃，温差为60 ℃。电容芯体轴向温度先增加后减小，最热点为120 ℃。当引入热管后，电容芯体径向最大温度仅为71.8 ℃，降低了50.5 ℃，温差由60 ℃降低为17.9 ℃。轴向温度均匀分布，温差在10 ℃以内。即使载流量为5 515 A，油温升高至90 ℃，电容芯体径向、轴向最高温度分别仅为97.92 ℃、97.98 ℃。结果表明毛细芯热管对套管温度场分布具有显著改善作用。

2.2 电容芯体轴向、径向电场分布

图5为毛细芯热管引入前后，不同载流量、油温工况下电容芯体的电场分布。电容芯体的径向电场在法兰附近最高，轴向电场在此处骤减。热管引入前，即使载流量仅有4 500 A，油温为60 ℃，径向电场最大值依然有8.3 kV/mm，梯度差达到6.2 kV/mm。法兰处轴向电场降低0.1 kV/mm。而引入热管后，径向电场最大值减小为5.8 kV/mm，下降了30.12%。轴向电场在法兰处仅降低0.05 kV/mm，减小为原来的12。当电流增加至5 515 A，法兰处径向电场仅为6.1 kV/mm。引入热管后，轴向、径向电场分布更加均匀是因为热管可以降低温度值，平均温度分布。当施加直流电压时，电容芯体的电场分布取决于其导电性。均匀的温度分布减少了电导率的差异，从而产生更均匀的电场分布。

3 毛细芯热管传热参数研究

3.1 工质种类对热管传热性能的影响

本文研究了去离子水、甲醇、乙醇、丙酮4种工质下电容芯体的径向温度分布，对比了不同工质下电容芯体轴向最大值温度，结果如图6、表5所示。不同工质下电容芯体的径向温度分布一致，由载流管至法兰处呈现降低趋势。当套管运行于载流量4 500、5 515 A两种工况下，工质为去离子水时，电容芯体的整体径向温度均小于其余工质下的温度值，且此时电容芯体的径向温差最小，温度分布最平均。图6（b）表示套管运行于载流量4 500 A，油温60 ℃工况下的轴向温度最大值，当工质为去离子水时，轴向温度最小，为71.79 ℃。以上结果是因为毛细芯热管散热效果主要依赖于工质导热系数与饱和蒸气压，而去离子水的导热系数大于其余3种工质，在散热时效果更好。因此可得结论，当工质为去离子水时，其传热性能最优。

3.2 孔隙率对热管传热性能的影响

毛细芯热管中孔隙率的不同会对热管的传热性能产生较大影响，烧结金属粉末毛细芯具有孔隙率可控优势，其孔隙率范围可达0.21～0.8［22-24］。由式（17）可知，孔隙率低将导致渗透率下降、工质填充率不足，热管最大传热极限降低。根据式（14）可知，孔隙率的增加会降低毛细管最大毛细压力，这将导致热管出现烧干现象，威胁套管安全稳定运行。为更好研究适用于阀侧套管的热管参数，本文设置0.25，0.5，0.75三种孔隙率，研究载流量4 500 A，油温60 ℃工况下，电容芯体径向温度分布与轴向最热点温度变化。结果如图7所示。随着孔隙率的增加，热管的传热性能趋于良好，电容芯体径向温度最大值由71.78 ℃降低为70.50 ℃，轴向温度最大值由72.05 ℃降低为70.5 ℃。其原因是，一方面套管本身结构细长，使得内置的铜粉烧结支撑结构复杂，孔隙率的增加并没有很大程度上减少内部热传导路径，反而增加了热管内的工质容量，使得热管可以承载更多的热量。另一方面由式（18）可推导出，热管的有效导热系数随着孔隙率的增加而增加，其传热性能也随之增强。因此，选定孔隙率为0.75情况下，适用于阀侧套管的毛细芯热管传热性能最优。

4 套管过热故障下毛细芯热管散热能力验证

在导电杆安装、换流变阀侧套管运输等过程可能会引起弹簧表带触指处产生金属粉末或划痕，或随着套管长时间运行，弹簧表带触指接触不良等造成连接处接触电阻增加，在电流的作用下，连接处发热量增加，引起过热故障。为验证套管过热故障下热管的散热能力，本文基于上述研究结果，设置毛细芯热管工质为去离子水，孔隙率为0.75，研究了弹簧表带触指故障处的温度分布，电容芯体温度与电场分布。具体故障如图8所示。

4.1 弹簧表带触指过热故障下热场分布

图9为载流量4 500 A，油温60 ℃工况下弹簧触指温度分布云图。未引入热管时，弹簧表带触指处最热点温度为160 ℃，当引入毛细芯热管后，此处整体温度下降10 ℃。表明热管的引入可加强套管散热，降低故障点温度值。

图10为载流量4 500、5 515 A，油温60 ℃工况下弹簧触指过热故障时电容芯体径向、轴向温度分布。无热管时，因弹簧触指故障发热引起套管温度升高，电容芯体径向最大温度达140 ℃，相较于套管正常运行时径向温度最大值（123 ℃）增加了17 ℃。轴向温度分布仍先增加后减小，最大温度在125 ℃左右。而毛细芯热管引入后，温度受故障影响小。电容芯体温度分布更加平均，轴向、径向温差均在10 ℃以内，且温度值并未有大幅增加，径向最大温度为72.28 ℃，相比于套管正常运行时径向温度最大值（71.8 ℃）仅增加0.48 ℃。轴向温度稳定在70 ℃附近。即便载流量为增加了22.56%，电容芯体径向、轴向温度最大值仅稳定在79.9 ℃、78.1 ℃附近。结果表明当套管发生过热故障时，电容芯体温度增加，但热管优良的散热性能可减小温度上升幅度，并维持电容芯体温度在一个稳定范围内，减小套管过热故障对电容芯体造成的危害。

4.2 弹簧表带触指过热故障下电场分布

载流量4 500、5 515 A，油温60 ℃工况下弹簧触指过热故障时电容芯体电场分布如图11所示。套管过热故障对电容芯体的电场分布影响较小，其径向、轴向电场并无明显变化。相比于无故障情况下，电容芯体径向电场最大值增加0.09 kV/mm，轴向电场在法兰处骤减量增加0.001 kV/mm。但毛细芯热管同样对电容芯体电场分布有一定改善作用。当未引入热管时，载流量4 500 A，电容芯体径向电场差值ΔE为6.3 kV/mm，轴向电场在法兰处降低0.101 kV/mm。引入热管后，径向电场差为2.26 kV/mm，降低了64.13%，法兰处轴向电场降低0.043 kV/mm，减小了0.058 kV/mm。即使载流量为5 515 A，电容芯体的径向电场差值ΔE仅为3.05 kV/mm。结果表明，在套管过热故障下，热管的引入仍可平均电容芯体电场分布。

5 结 论

本文基于COMSOL Multiphysics建立了±800 kV换流变压器热管阀侧套管热管的仿真模型。分析了电容芯体在不同载流量与油温情况下的温度与电场分布。进一步地改变热管参数与套管故障类型，研究不同参数对热管传热性能的影响及套管过热故障情况下热管导热优势的有效性。具体结论如下：

1）±800 kV换流变压器阀侧套管在运行过程中，套管内温度较高，温度与电场分布不均匀。当套管载流量为4 500 A，油温60 ℃时，电容芯体径向、轴向最热点温度已高达123 ℃、120 ℃，其靠近法兰处径向电场值最大，为8.3 kV/mm，径向电场梯度差ΔE为6.2 kV/mm。

2）毛细芯热管不仅可以降低电容芯体的最热点温度、平均温度分布，而且对其径向电场分布改善显著。引入毛细芯热管后，径向温差由60 ℃降低为17.9 ℃。即使电流增加了22.56%，油温增加到90 ℃，电容芯体径向、轴向最热点温度分别仅为97.92 ℃、97.98 ℃。径向电场最大值降低为6.1 kV/mm，电场梯度差ΔE下降了70.97%。

3）载流导管内部的工质种类与孔隙率大小会影响毛细芯热管的热传递过程，4种工质的传热性能排序依次为去离子水gt;丙酮gt;甲醇gt;乙醇。毛细芯热管的传热性能随着孔隙率的增加而增加。当工质为去离子水，孔隙率为0.75时，热管的传热性能最优。

4）毛细芯热管具有优异的散热性能，可有效避免因过热故障导致套管电容芯体发生形变、开裂等事故的发生。当载流量为4 500 A，油温为60 ℃，套管过热故障时，毛细芯热管的引入，一方面可降低故障点温度10 ℃左右，另一方面使得电容芯体径向最热点温度仅增加0.48 ℃，并将电容芯体轴向温度稳定在70 ℃左右。

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（编辑：刘琳琳）