主變變高套管引線接頭異常發(fā)熱原因分析

于平瀾

摘要：變壓器變高套管引線接頭異常發(fā)熱是變壓器非計(jì)劃停電的重要原因，本文通過(guò)理論研究、有限元法分析了變壓器變高套管引線接頭異常發(fā)熱原因，對(duì)降低其異常發(fā)熱溫度及次數(shù)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：變壓器;變高套管引線接頭;異常發(fā)熱

變壓器變高套管引線接頭頻繁、異常發(fā)熱是廣大運(yùn)維人員經(jīng)常遇到的缺陷之一，同一臺(tái)主變同個(gè)發(fā)熱點(diǎn)反復(fù)發(fā)熱的情況時(shí)有發(fā)生，不但帶來(lái)大量重復(fù)操作，而且嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，找到其異常發(fā)熱影響因素并能予以正確處理就顯得尤為迫切。本文從理論研究、有限元法兩個(gè)方面來(lái)分析變壓器變高套管引線接頭異常發(fā)熱原因，并給出了相應(yīng)解決措施。

一、套管引線接頭異常發(fā)熱理論原因分析

根據(jù)熱能公式：Q=I2×R×T，在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)導(dǎo)體的電流越大、電阻越大，則導(dǎo)體的發(fā)熱量越大，溫度越高。因流過(guò)變壓器變高套管引線接頭的電流受主變、線路運(yùn)行方式、天氣溫度、用戶(hù)負(fù)荷等多重因素影響，在客觀上不可隨意改變，所以降低其發(fā)熱溫度、頻率主要通過(guò)減少接觸電阻即增大引線接頭部件導(dǎo)體接觸面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。

變高套管引線接頭主要由禁錮螺栓、接線端子、導(dǎo)電頭等幾個(gè)部分組成。導(dǎo)電頭、接線端子通過(guò)禁錮螺栓連接固定。主變長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)持續(xù)不斷振動(dòng)，禁錮螺栓的應(yīng)力會(huì)慢慢減小，與接線端子連接逐漸變松，導(dǎo)電頭、接線端子接觸面隨之變小，接觸電阻逐漸變大;主變一般置于室外，會(huì)受到雨、雪、風(fēng)等天氣影響，雨、雪會(huì)引起導(dǎo)電頭、接線端子銹蝕，致使其接觸電阻逐漸變大。大風(fēng)吹動(dòng)主變上引線搖擺，帶動(dòng)下端禁錮螺栓松動(dòng)，同樣會(huì)增大接觸電阻。綜上幾個(gè)無(wú)法避免的客觀原因，引線接頭的接觸電阻會(huì)隨著主變長(zhǎng)時(shí)間戶(hù)外運(yùn)行而逐漸變大，引線接頭的發(fā)熱量、溫度會(huì)逐漸升高直至不得不停電處理。

二、套管引線接頭異常發(fā)熱有限元法原因分析

根據(jù)主變變高套管及引線接頭實(shí)際結(jié)構(gòu)完全建模，在COMSOL Multiphysics有限元軟件中建立其三維幾何模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行自由三角形網(wǎng)格剖分，單元大小選擇超細(xì)化，并且在場(chǎng)強(qiáng)變化大的地方，進(jìn)行局部的網(wǎng)格細(xì)化，保證計(jì)算的足夠精度。在進(jìn)行電磁-熱耦合場(chǎng)的計(jì)算時(shí)，需要考慮磁-熱耦合場(chǎng)兩者之間的相互影響：電流流過(guò)導(dǎo)體和介質(zhì)之間產(chǎn)生熱量，影響溫度變化，同時(shí)溫度的變化會(huì)影響材料介電等參數(shù)進(jìn)而影響電場(chǎng)的分布。在電流和固體傳熱兩個(gè)模塊下對(duì)模型進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合，添加焦耳熱多物理場(chǎng)接口，進(jìn)行頻域-穩(wěn)態(tài)下的研究計(jì)算，用雙向耦合方式，在電磁和傳熱之間反復(fù)迭代，直到滿(mǎn)足收斂標(biāo)準(zhǔn)為止，最終得到電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合下的仿真結(jié)果如圖一、圖二所示。

由圖一“引線接頭及套管內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)分布圖”可知，引線接頭及引出線位置場(chǎng)強(qiáng)大小有明顯的梯度變化，中心電纜線芯與墊圈連接處的場(chǎng)強(qiáng)值最大，墊圈位置的場(chǎng)強(qiáng)值最低，在主變套管的導(dǎo)電頭和墊圈位置場(chǎng)強(qiáng)有明顯的畸變;從圖二“套管及引線接頭的傳導(dǎo)熱通量矢量圖”可知，在中心電纜線芯靠近絕緣層部分和引線接頭連接處的熱通量有較大值，從仿真模擬上顯示套管接頭部分更容易發(fā)熱;熱通量矢量箭頭方向從銅線端部指向接頭部件，根據(jù)傳熱學(xué)理論分析，導(dǎo)體線芯溫升和介質(zhì)損耗熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式傳到了引線接頭上，升高了引線接頭正常運(yùn)行時(shí)的溫度。

通過(guò)以上有限元仿真計(jì)算可知，在套管導(dǎo)電線芯和半導(dǎo)電部件連接處電導(dǎo)率有較大差值部分電勢(shì)、電場(chǎng)畸變較大且比較集中，同時(shí)發(fā)熱量也更高;套管引線接頭處的熱通量較大，溫度較高，并且引線接頭處的部分溫升是由套管內(nèi)部導(dǎo)體線芯發(fā)熱和介質(zhì)損耗（部件間電導(dǎo)率差異較大）發(fā)熱傳導(dǎo)至其上引起的。

三、套管引線接頭異常發(fā)熱改善措施

由理論分析結(jié)論可得，在主變變高套管引線接頭生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)盡可能地選擇阻抗小、防腐蝕、抗生銹能力強(qiáng)的金屬部件;安裝時(shí)，應(yīng)將部件打磨光滑平整后使其接觸緊密，盡量消除彼此空隙，增大接觸面積，同時(shí)應(yīng)確保引線接頭受力均勻，禁錮螺栓松緊一致，盡量避免主變變高套管引線接頭受外力影響而松動(dòng)。

由有限元法仿真結(jié)論可得，主變變高套管引線接頭在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，在其正常運(yùn)行時(shí)容易發(fā)熱;套管內(nèi)導(dǎo)電線芯和部件的電導(dǎo)率合理配合，對(duì)部件結(jié)合處的場(chǎng)強(qiáng)、電場(chǎng)畸變有抑制作用，可以減少套管內(nèi)部傳導(dǎo)至引線接頭上的熱量。例如可以通過(guò)調(diào)節(jié)密封圈和導(dǎo)電頭的電導(dǎo)率來(lái)改善電場(chǎng)分布，降低線芯、套管引線接頭發(fā)熱，但是在改變部件電導(dǎo)率的同時(shí)，需保證其他電學(xué)參數(shù)沒(méi)有下降或明顯下降，即電導(dǎo)率提高，擊穿場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有明顯下降，介電常數(shù)和介電損耗沒(méi)有明顯增加，以上可通過(guò)在半絕緣材料中添加輔助交聯(lián)劑來(lái)改善其電氣性能來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文不做討論。