数值模拟方法及其对热气体（CO/CO?）在浸油纸套管中生成过程的影响因素

《Electric Power Systems Research》：Numerical simulation method and influence factors of thermal gas: CO/CO 2 generation process in oil-impregnated paper bushings

油浸纸绝缘套管长期运行中氧气和湿气引发的CO/CO?生成动力学过程及影响因素研究，基于全尺寸550kV AC套管构建电-热-流耦合模型，揭示了气体浓度随时间呈饱和增长规律，并分析运行条件波动和核心过热对气体迁移与绝缘老化影响。

　　

张汉月|尚高毅|李欣宁|林志远|史万豪|唐浩|王鹏|刘宣东

中国西安交通大学电气工程学院电气绝缘与电力设备国家重点实验室，西安710049

摘要

在高压油浸纸（OIP）套管长期运行过程中，氧气（O₂）和水分的侵入几乎是不可避免的。在氧气和水分的促进下，即使在正常运行条件下，OIP也会发生热分解，产生一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂），从而威胁套管的绝缘性能。研究人员已经对此过程进行了研究，但这些研究主要集中在溶解气体分析上，或者仅模拟气体分子的扩散行为，缺乏从气体生成到饱和整个过程的动态研究。因此，本文提出了一种热气体生成模拟模型，基于全尺寸的550 kV交流高压OIP套管来研究整个过程。研究结果表明，在运行条件下，CO和CO₂的浓度最初呈线性增长，分别大约在1.44小时和26.57小时达到饱和。随后，气体在套管内部的电容屏之间的低温区域以及变压器油流速突然变化的区域积聚。运行条件的变化导致气体分子在后期气体生成阶段或饱和阶段频繁迁移，从而导致电场频繁重构和放电风险显著增加。随着芯部过热缺陷的进展，气体分子的迁移速率进一步增加。

引言

作为连接电力变压器与外部电路的关键组件，油浸纸（OIP）套管的运行状态直接影响变压器乃至整个电力系统的安全性和稳定性[1,2]。在运行过程中，套管会受到电气、热力和机械等多重应力的影响。这些应力常常导致部分过热和异常气体生成等典型故障。同时，这些故障也受到可再生能源集成和极端天气事件的影响[3,4]。

现有研究表明，OIP具有良好的绝缘性能，但热性能较差[5]。因此，研究人员对OIP的热气体生成过程进行了广泛研究，并就气体成分与故障类型之间的相关性达成了共识。IEC TS 61,464指出，由于导体焦耳损耗和芯部介电损耗，OIP会发生分解和氧化。即使温度不是很高，这一过程也会产生七种典型的气体分子，如H₂、CO、CO₂、CH₄、水分等[6]。此外，这一气体生成过程受到环境因素的显著影响。IEC 60,599明确指出，在某些温度下，OIP中的氧气和水分含量增加时，CO和CO₂的浓度也会增加[7]。在套管长期运行过程中，氧气和水分的侵入几乎是不可避免的。更糟糕的是，水分还会作为纤维素老化的副产品不断积累[8,9]。

Doncuk [10]和Prasojo [11]的研究表明，OIP的热稳定性不如矿物油。在温度、氧气和水分的共同作用下，OIP在378.15 K时会发生显著分解，产生CO和CO₂，而矿物油则需要在大约773.15 K时才会分解产生碳氢化合物。因此，由于氧气和水分的影响，OIP套管热分解产生的气体主要是CO和CO₂。

Cui等人[12]使用脉冲、阶跃和恒定温度曲线来模拟功率生成和负载变化。结合化学反应方程和范特霍夫方程，他们研究了温度对OIP中气体生成的影响。Yang [13]、Ye [14]和Tao [15]利用分子动力学模拟了CO和CO₂等特征气体分子在OIP中的扩散行为，发现高温会促进气体分子的扩散。Shahsiah等人[16,17]根据ASTM D3612计算了CO和CO₂在绝缘油中的溶解度，并将其与OIP中的溶解度数据进行了比较，以获得气体分子在油纸绝缘中的平衡分布曲线和稳态比例。

尽管在上述研究中取得了显著进展，但这些方法在研究气体生成、迁移和积累的整个动态过程时仍存在局限性。由于OIP套管内部结构复杂且封闭，当前的研究主要限于稳态条件下的溶解气体分析，无法实时反映运行条件变化和过热缺陷对热气体生成过程的影响[12,16,17]。同时，作为微观尺度的模拟方法，分子动力学主要关注分子分解或扩散过程，不适合解决套管中的大规模、多阶段和长期问题[13],[14],[15]]。

因此，本文基于全尺寸的550 kV交流高压OIP套管，利用COMSOL Multiphysics 6.3建立了热气体（CO、CO₂）生成模拟模型。在运行条件下，模拟并分析了热气体的生成、迁移和积累过程，并进一步研究了运行条件变化和过热缺陷对套管热气体生成过程的影响。

电热流体控制方程

套管的电势分布由拉普拉斯方程控制：

$\begin{array}{c}?·\left({\epsilon }_r?{\phi }_{\text{ac}}\right)=0\end{array}$$\begin{array}{c}\{\begin{array}{c}{P}_{\text{con}}=I^2{\mathrm{Rcon}}_{}\\ P_{\text{core}}=2\pi f{\epsilon }_0{\epsilon }_{E_2}\end{array}\end{array}$$\begin{array}{c}\{\begin{array}{c}{P}_{\text{con}}=I^2{\mathrm{Rcon}}_{}\\ P_{\text{core}}=2\pi f{\epsilon }_0{\epsilon }_{E_2}\end{array}\end{array}$