陳濤，曹菁，侯予*

（1-華東送變電工程公司，上海201803；2-西安交通大學，陜西西安710049）

熱管技術在超高壓和特高壓直流套管高效散熱中的應用研究

陳濤1，曹菁2，侯予*2

（1-華東送變電工程公司，上海201803；2-西安交通大學，陜西西安710049）

在大電流強度下，超高壓、特高壓直流套管內部的溫升問題十分突出。套管散熱能力不足會出現(xiàn)溫度過高導致的絕緣擊穿等問題。本文針對高壓直流套管高效散熱問題，針對幾種散熱技術做了詳細的分析對比，綜合考慮高壓套管的運行條件，對重力熱管驅動高壓直流套管散熱方式進行了詳細的分析研究。結果表明，當高壓直流套管內加入R113作為制冷劑后，管壁散熱情況得到改善，最高溫度為80 ℃，完全滿足高壓直流套管長期穩(wěn)定工作需求。本文的研究結果有助于為高壓直流套管新型、低成本、高可靠冷卻技術的開發(fā)提供一定借鑒和思路。

高壓直流套管；高效散熱技術；熱管技術

0 引言

我國已進入大機組、大電網、高電壓、高自動化的發(fā)展時期，在遠距離大規(guī)模輸電的情況下，采用超高壓、特高壓輸電網絡具有明顯經濟優(yōu)勢。高壓直流輸電具有線路損耗小、線路造價低、運行可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定性強、適用于遠距離大容量電力輸送、容易實現(xiàn)非同步電網間互聯(lián)等優(yōu)點，加強交直流輸電的配合能力，提高應對瞬時變化的性能，發(fā)展多段直流輸電技術，充分利用計算機的發(fā)展，實現(xiàn)交直流系統(tǒng)之間的協(xié)調運行，對滿足我國經濟快速發(fā)展對電力的強烈需求有重要意義。

我國高壓套管的研究雖然起步較晚，但是發(fā)展卻非常迅速[1-3]。近幾年，采用新技術、新材料等措施，對高壓套管進行設計改造，生產質量已基本達到了國際先進水平。目前，正負500 kV及以下各種電壓等級套管的需求已基本國產化。但是，1,100 kV等級的高壓套管作為直流輸變電工程中大型電力設備的重要組件，由于散熱問題仍無法得到有效解決，成為制約我國乃至歐美國家特高壓直流輸電發(fā)展的瓶頸。

國內外的研究者對套管在工作狀態(tài)下的溫度場進行了大量的數(shù)據分析。HEBERT等[4]提出了一種用于高壓套管的有限差分二維數(shù)據模型，對34.5 kV、69 kV和196 kV這3種電壓下的工況進行模擬計算，預測得到的套管軸向溫度分布與實驗值基本吻合。ZENG[5-6]對350 kV和550 kV下套管通過不同功率電流時的溫度分布進行了大量實驗研究，在此基礎上提出了一種簡單精確預測套管在任何負載條件時溫度分布的計算方法。RADAKOVIC等[7]在套管的換熱設計中采用了非線性二維換熱模型，改進了套管的設計方法，該方法在實驗中得到了驗證。JYOTHI等[8-9]基于溫度和電應力的輔助交流電導率建立了干式套管的二維換熱理論模型，對套管的徑向溫度變化進行了數(shù)值研究，預測了不同電壓下，套管徑向溫度分布。許佐明等[10]建立了套管溫度場有限元計算模型，對550 kV時套管在5,000 A和6,300 A條件下的溫度分布規(guī)律進行了實驗和數(shù)值研究，模型計算結果與實驗測量結果基本一致。張施令等[11-12]建立套管芯體電熱耦合模型，對550 kV干式套管的徑向溫度分布規(guī)律進行了研究，得到套管芯體內部的徑向溫度和電場分布，將圓柱模型推廣到圓錐模型。溫苗等[13]通過有限體積法對套管進行熱-流耦合分析，對3,150 A電流載荷下套管的軸向界面溫度分布以及油的流動特性進行了數(shù)值計算，與該工況下的套管模型溫升實驗獲得的測量結果基本吻合，誤差小于6%。

超高壓、特高壓直流套管多采用油紙電容式套管，底部浸在變壓器油中，頂部暴露在空氣中。高壓套管的發(fā)熱量主要有電流通過導體時產生的焦耳熱和交變電磁場在法蘭產生的渦流損耗[14]。隨著變壓器通電壓力增加，套管內部長期通過負載電流，套管的溫升問題更加突出[15]，在運行過程中容易出現(xiàn)局部過熱導致絕緣擊穿[16-17]和老化問題。

本文研究高壓直流套管高效散熱問題，對不同散熱方案選擇進行分析比較，并從中確定具有可行性的方案，對其進行了初步的理論模擬分析。

1 高壓直流套管散熱技術

高壓套管的高效散熱技術主要面臨兩大難題：

1）套管散熱過程為被動散熱，主要依靠自身材料的導熱；

2）用于變壓器的套管需滿足通電絕緣等特殊工作要求，結構上具有一定的密閉性，導致套管散熱設備在結構上的局限性。

針對上述兩個問題，要采取有效的散熱方式，必須明確套管被動散熱特性，了解套管內部溫度分布，分析溫度異常點所在區(qū)域以及溫差大小，以此確定合理的散熱技術。為了避免尖端放電等危險情況發(fā)生，不能采取常規(guī)的在套管外部加散熱片的散熱方式。對于套管被動散熱的現(xiàn)況，可以采用的散熱方式主要有兩類：強化被動散熱、采取主動散熱技術，例如蒸汽壓縮制冷循環(huán)、熱管技術等。

1.1 強化傳熱

根據傳熱系數(shù)k的定義，傳熱量Q與傳熱系數(shù)k、傳熱面積A和傳熱溫差T分別為正比例關系，提高傳熱系數(shù)、增加傳熱面積或者增大溫差都可以強化傳熱過程。但對于高壓套管來說，通過增加壁面肋片以加大傳熱面積或者采用機械手段幫助提高換熱系數(shù)的方式，會對套管本身的結構產生影響，進而可能影響到電場的分布，導致高壓套管失效，因此強化傳熱的方法不適用于高壓套管的散熱。

1.2 蒸汽壓縮制冷

理想的蒸汽制冷循環(huán)是逆卡諾循環(huán)，是兩個等溫過程和兩個過熱過程。單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)，是由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥4個基本部件組成密閉系統(tǒng)，通過管道依次連接，制冷劑在系統(tǒng)中不斷循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化，傳遞熱量。由于蒸汽壓縮制冷循環(huán)是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)，如果應用在高壓套管中，就需要將套管與外界的循環(huán)系統(tǒng)相連接，才能完成整個的制冷系統(tǒng)。但是，高壓套管一般處于密閉性工作狀態(tài)，制冷循環(huán)系統(tǒng)外接的管路結構會破壞其密閉結構，此時高壓套管中電場分布及其結構會受到影響。因此，使用制冷劑的蒸汽壓縮制冷循環(huán)也不適用于高壓套管。

1.3 熱管技術

熱管技術最早是1963年美國Los Alamos國家實驗室的GROVER[18]發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件。熱管是一種利用相變原理和毛細力作用的被動傳熱元件，其熱傳遞效率比同樣材質的純銅高出幾百倍到數(shù)千倍。熱管內部的壓力是由工作液體蒸發(fā)后的蒸汽壓力決定的。加熱熱管表面，工作液體蒸發(fā)，熱管內產生的壓力差，促使蒸汽流向較冷的一端。蒸汽在熱管壁上冷凝，放出汽化潛熱，將熱傳遞到冷凝段[19]。熱管超導熱性與等溫性使其成為理想的控溫工具，熱管技術廣泛應用在制冷系統(tǒng)中，例如吸收式制冷系統(tǒng)[20]、電子芯片冷卻系統(tǒng)[21]、大功率LED回路熱管和其他環(huán)路熱管[22-23]、負荷制冷機組[24-25]、微通道散熱[26-27]。

由于熱管的用途、種類和形式繁多，且在結構材質和工作液體等方面各有不同，常用的分類方法有以下4種。按照工作液體回流動力區(qū)分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（又稱重力熱管）、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等。按照管內工作溫度區(qū)分為低溫熱管、常溫熱管、中溫熱管、高溫熱管等。按照結構形式分為普通熱管、分離時熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。按照熱管的功用劃分有熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、制冷熱管等等。

1.3.1 普通熱管

一般熱管結構由管殼、吸液芯和端蓋組成，吸液芯主要為毛細多孔材料。熱管一端為蒸發(fā)段（簡稱熱端），另一端為冷凝段（簡稱冷端），熱管蒸發(fā)段受熱，毛細管中的液體蒸發(fā)，蒸汽在微小的壓力差下流向另一端，釋放熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用回流蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復，將熱量由一端傳至另一端。熱管內部毛細力作為工作液體循環(huán)的推動力。

1.3.2 重力熱管

兩相閉式熱虹吸管又稱重力熱管，簡稱熱虹吸管。與普通熱管原理一樣，不同之處在于重力熱管內沒有吸液芯，冷凝液回流的動力為液體自身的重力作用。因此重力熱管有一定的方向性，冷凝段位置必須高于蒸發(fā)段。由于重力熱管結構簡單、制造方便、成本低廉、傳熱性能優(yōu)良，在地面上的各類傳熱設備中都可以作為高效傳熱元件，應用領域廣泛。

1.3.3 旋轉熱管

旋轉熱管為一密閉的空心軸（管），內腔具有一定的初始真空度，充有少量的工作液，內腔的形狀可以是空心圓柱形、空心圓錐形或圓柱臺階形[28]。在高轉速下，工作體液覆蓋在空腔的內壁面上，形成一層環(huán)狀液膜。旋轉熱管的一端由于被加熱，該處液體蒸發(fā)、液膜變薄，所產生的蒸汽流到另一端（冷卻端）。蒸汽在冷卻端放出潛熱而凝結成液體。在熱管的旋轉作用下液體受到離心力，這一離心力沿錐面的分力使這些冷凝液沿錐面流回到蒸發(fā)段。這樣連續(xù)的循環(huán)就完成了把熱量從加熱段輸送到冷卻段的過程。

1.3.4 分離式熱管

分離式熱管的蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管聯(lián)通形成一個自然循環(huán)回路。工作原理與普通熱管和重力熱管相同，在液體下降管和蒸汽上升管之間會形成一定的密度差，這個密度差提供的壓頭用于平衡蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維持這系統(tǒng)的正常運行。分離式熱管既有經典熱管的共性——兩相流動、相變傳熱、自然循環(huán)等，同時也具有鮮明的個性——管內氣液兩相同向流動。最大的特點是冷凝段和蒸發(fā)段可以較遠距離安裝，從而使得冷熱流體完全隔離，避免了相互滲漏的問題，安全性能較經典熱管大為提高。

1.4 其他新型散熱及制冷技術

除蒸汽制冷循環(huán)外，主動散熱技術還有半導體制冷、磁制冷、激光制冷、化學吸附式制冷等新型制冷技術。這些制冷技術雖然在環(huán)保和節(jié)能上都具有很大的優(yōu)勢，但是在整個系統(tǒng)的配置和設備尺寸方面都與高壓套管的設備要求不相匹配，甚至可能會影響套管本身的電場分布，造成漏電等不良影響。

1.5 分析小結

實現(xiàn)高壓套管的高效散熱，應該在不改變套管本身結構和設備配置的前提下完成。綜合上述散熱技術分析，由于高壓套管內部的導電銅桿在結構上與內部中空的重力熱管有相似之處。熱管作為對高壓套管結構改造最少的換熱設備，其良好的等溫性和超導熱性能夠平衡套管的軸向溫度分布，將套管中易出現(xiàn)高溫區(qū)域的熱量傳遞到低溫區(qū)域，有效地防止溫度過高引起的燒毀現(xiàn)象發(fā)生。

2 數(shù)值計算模型

2.1 數(shù)值模型簡化

油紙電容式變壓器套管用于高壓與超高壓，本文的討論中將以典型的油-六氟化硫（SF6）直流套管為例開展。

其一般結構見圖1，一端浸入 SF6氣體，另一端浸入絕緣油介質中，是通過SF6氣體進行絕緣封閉式組合電器的高壓帶電導體連接至油絕緣變壓器高壓引線的一種套管。

圖1 油-SF6套管的結構圖

在數(shù)值計算分析中，油-SF6套管可簡化為一端浸入80 ℃的變壓器油中，另一端為SF6氣體，如圖2所示的傳熱結構模型。靠近中心軸空白部分的陰影區(qū)域為銅導桿，緊鄰環(huán)氧芯子的陰影區(qū)域為鋁制的密封殼體，銅導桿和鋁層之間為變壓器油，在鋁層的外圍為環(huán)氧樹脂材料。

圖2 套管簡化模型

高壓套管的總長度14 m，除去首尾兩端浸入到壓縮機油和SF6氣體中的部分空間，內部的銅導桿凈長度為9.5 m，內徑為40 mm，外徑為66 mm。套管芯體可以近似成一個封閉的重力熱管，其內填充適量的制冷劑，通過制冷劑的蒸發(fā)冷凝循環(huán)，將熱量從高溫段傳遞到低溫段，從而實現(xiàn)對套管芯體的溫度分布的改善。

為方便進行數(shù)值計算，套管結構可簡化為重力熱管模型。對應熱管的各部分為：銅導桿為熱管的外壁面；80 ℃變壓器油部分對應為熱管中的蒸發(fā)段；環(huán)氧樹脂包繞的中部可近似為熱管中的絕熱部分；SF6氣體部分對應為熱管中的冷凝段部分，假設其為環(huán)境溫度。

2.2 計算條件設置

為了驗證熱管的等溫性，能夠明顯改善套管溫度分布，在進行分析時，將銅導桿導電產生的焦耳熱作為恒定熱源加入到重力熱管的數(shù)值計算中。通電后銅導桿的發(fā)熱量可由其通過電流計算得知，假設此值為恒熱源。

重力熱管的邊界條件為：1）壓縮機油為恒定80 ℃，此處可等效為熱管的蒸發(fā)段；2）在SF6氣體一側設置為環(huán)境溫度（假設為20 ℃），可等效為熱管的冷凝段。計算時選取 R113作為重力熱管的運行工質。在常壓下，R113的沸點為47.57 ℃，介于壓縮機油和環(huán)境溫度之間，且 R113具有穩(wěn)定性高、不燃等優(yōu)點。

由于在熱管模擬計算中，熱管內的工質R113要經歷蒸發(fā)冷凝的相變過程，因此，選取FLUENT中的蒸發(fā)冷凝模型作為基礎模型，分別定義R113氣相和液相的物性參數(shù)。

在求解器的設置上，采用SIMPLEC算法，壓力離散選擇Body Force Weighted，動量方程和能量方程為二階迎風格式離散。

3 計算結果分析

3.1 電流強度為0 A

根據前文建立的模型，本文在銅導桿無電流通過時，對套管的溫度分布進行簡單計算。此時，電流強度是0 A，銅導桿的發(fā)熱量為0，內腔為空氣。從計算結果圖3中可以看出，在沒有電流通過時，套管的溫度最高為80 ℃，此段為浸沒在變壓器油中的部分，套管其他部位溫度均低于此溫度，環(huán)氧樹脂芯子包繞的部分由于設定為絕熱邊界條件，此段溫度且呈現(xiàn)線性分布，主要是銅導桿自身的軸向導熱。SF6氣體段溫度最低。

圖3 電流強度為0 A，銅導桿壁面溫度曲線

3.2 電流強度為5,500 A

當電流為5,500 A時，經實驗測得套管壁面的溫度分布如圖4所示。圖4中所測得數(shù)據是截取了套管一段的數(shù)據，與實際模型的對應關系如圖中所示。從圖中可以看出，套管在接近變壓器的一端，套管溫度有明顯升高，達到120 ℃左右，隨著套管軸向位置距離油端越來越遠，套管壁面溫度逐漸降低，直到套管浸沒到SF6氣體中，套管溫度降到最低。

圖4 電流為5,500 A時，套管壁面溫度分布

圖5中的黑色曲線為電流強度為5,500 A時，套管在銅導桿加熱下的溫度分布圖。黑色曲線為銅導桿內部是空氣，銅導桿的散熱完全依賴于鋁層內部變壓器油自然對流換熱。由圖可知，離開變壓器油的銅導桿壁面溫度明顯上升，在離開變壓器油一段距離后出現(xiàn)溫度最高值130 ℃，基本符合實驗中觀測得到的趨勢（圖4）。此處出現(xiàn)高溫峰值有兩個原因：一是銅導桿自發(fā)熱使銅導桿溫度上升；二是由于銅導桿發(fā)熱量溫升高于油溫和SF6氣體溫度，銅導桿的熱量自發(fā)向壓縮機油端和氣端傳遞。因此溫度的峰值出現(xiàn)在離油端和氣端都有一定距離的位置。環(huán)氧芯子包繞的部分設定為絕熱壁面，而在實際套管工作時，環(huán)氧芯子部分并不能完全絕熱，有一部分熱量會通過此段傳遞到外界，因此計算得到的最高溫度比實驗測得的溫度略高。另外，由于在計算中套管兩端的邊界條件設定為恒溫壁面，與實際工作過程也存在差異，因此圖 5中套管兩端的溫度顯示為穩(wěn)定的恒溫。套管的壁面溫度出現(xiàn)峰值，這說明既有的套管散熱方式已經無法滿足套管散熱需求。

圖5中實線曲線為采用R113作制冷劑時，電流強度5,500 A的等效熱管溫度計算結果。對比套管內腔為空氣時的計算結果可看出，加入制冷劑形成熱管后，銅導桿的壁面溫度有明顯改善，壁面最高溫度為浸潤在壓縮機油內的部分，其余部分的溫度均較低且均勻，這也體現(xiàn)了熱管良好的等溫性能，將套管可能出現(xiàn)的高溫段熱量傳遞到套管的低溫區(qū)域。

圖5 電流強度5,500 A時壁面溫度曲線

隨著計算時間的增加，絕熱段溫度也會出現(xiàn)略微升高的情況（圖6），這是由于銅導桿一直有焦耳熱產生，與標準的熱管模型存在差異。銅導桿作為定熱源，其自發(fā)熱的溫度相對較高，管內的冷凝液體由冷凝段回流時會在壁面上隨時發(fā)生蒸發(fā)相變冷卻銅導桿的溫度，而不是回到蒸發(fā)段底部液池。最終在腔體內部形成R113的氣液混合物，在溫度的作用下對流換熱和壁面相變換熱同時進行，這樣的結果既加強了銅導桿內腔的熱量傳遞，又使銅導桿的溫度分布趨于平緩。

圖6 電流5,500 A，壁面溫度最終分布結果

4 結論

直流套管在電流強度通過時，會出現(xiàn)局部過熱，文中對幾種散熱技術進行比較分析，最終確定熱管散熱是適用于高壓套管散熱的方案。當銅導桿內加入R113作為制冷劑后，形成類似于重力熱管模型，管壁散熱情況得到改善，最高溫度出現(xiàn)在浸潤壓縮機油的部分，溫度為80 ℃，套管其他區(qū)域的溫度基本保持在這個數(shù)值以下。這個結果說明本文建立的類似重力熱管模型對于高壓套管的散熱改良有效，能夠避免由于套管局部溫度過高導致的熱擊穿等問題，達到延長套管使用壽命的目的。此外，本文所討論的技術具有相當好的可行性。

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Application of Heat Pipe Technology in High Efficiency Heat Dissipation of Ultra/High Voltage Direct Current Bushing

CHEN Tao1, CAO Jing2, HOU Yu*2
(1-East China Power Transmission and Transformation Engineering Company, Shanghai, 201803;2-Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710049)

Due to the high current intensity, the internal temperature rise of ultra/high voltage direct current (DC)bushing is crucial for successful operation. The insufficient heat dissipation capability of bushing leads to high temperature which can result in the insulation breakdown. In this paper, heat dissipation technologies are analyzed and compared. Considering the operating conditions of the high voltage DC bushing, the high voltage DC bushing cooling method referring to the gravity heat pipe technology is simulated. The results show that, with R113 as the refrigerant, the heat dissipation of the DC bushing is well improved, and the maximum temperature is 80oC,which can meet the DC bushing long-term working requirement very well. The results suggest that gravity heat pipe technology can be an effective way to solve the high heat dissipation problem for high voltage DC bushing.

High Voltage DC Bushing; Efficient Heat Dissipation Technology; Heat Pipe Technology

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.201

*侯予（1973-），男，教授，博士。研究方向：制冷與低溫工程。聯(lián)系地址：西安市咸寧西路28號，郵編：710049。聯(lián)系電話：029-82664921，E-mail：yuhou@mail.xjtu.edu.cn。

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（No. xjj2017108）。