输变电设备可靠性评估中的温度场仿真分析方法及应用

输变电设备是电网运行的核心载体，其可靠性直接决定电网供电的稳定性。温度是影响输变电设备寿命与故障的关键因素——过高的温度会加速绝缘老化、导致材料变形或接触电阻增大，最终引发设备故障。温度场仿真分析作为输变电设备可靠性评估的核心技术，通过模拟设备内部的热传递过程，精准预测温度分布、定位热点区域，并量化温度对设备寿命的影响，为设备的设计优化、运维决策提供科学依据。

温度场仿真的基础逻辑：热传递与设备热来源

温度场仿真的核心是对热传递规律的量化描述，输变电设备中的热传递主要涉及三种方式：传导（通过固体材料的分子热运动传递热量，如变压器绕组到绝缘层的热传导）、对流（通过流体介质的流动传递热量，如变压器冷却油对绕组的散热）、辐射（通过电磁波传递热量，如户外断路器外壳向环境的热辐射）。

输变电设备的热来源则与自身损耗直接相关：变压器的热损耗包括绕组的铜损（I²R，与负载电流平方成正比）、铁芯的铁损（由磁滞和涡流引起，与铁芯磁密及频率相关）、冷却油的介质损耗；高压断路器的热损耗主要来自触头的接触电阻损耗（载流时触头接触不良会导致局部过热）；电力电缆的热损耗则是导体的焦耳损耗（I²R）和绝缘层的介质损耗（与电压平方及绝缘材料的介电常数相关）。这些损耗是温度场仿真的“热源输入”，需通过电气计算或实验测量精准获取。

常用温度场仿真方法：特点与适用场景

有限元法（FEM）是输变电设备温度场仿真的主流方法。其原理是将复杂的设备结构离散为有限个小单元（如四面体或六面体），通过求解每个单元的热平衡方程（∇·(k∇T) + q = ρc∂T/∂t，其中k为热导率、q为热源强度、ρ为密度、c为比热容），得到整个结构的温度分布。FEM适合处理几何形状复杂的设备（如变压器绕组、断路器灭弧室），能精准模拟局部热点——例如在变压器饼式绕组仿真中，可通过加密油道区域的网格，捕捉油流对绕组温度的影响。

计算流体动力学（CFD）则专注于对流换热的模拟。对于依赖流体冷却的设备（如油浸式变压器、SF₆断路器），CFD可通过求解Navier-Stokes方程（描述流体流动）和能量方程（描述热量传递），模拟冷却介质的流动状态与温度分布。例如在变压器冷却系统仿真中，CFD能预测油道内的流速分布，识别流速过低导致的局部过热区域。

边界元法（BEM）适用于无限域或边界条件复杂的场景，如地下电力电缆的温度场仿真。其原理是将体积分问题转化为边界积分，只需离散设备的边界（如电缆护套与土壤的接触面），即可计算土壤中的温度分布——这大幅减少了计算量，尤其适合模拟土壤热导率随深度变化的情况。

关键参数的获取与校准：从实验到模型的闭环

温度场仿真的准确性依赖于参数的可靠性，核心参数包括材料热特性与边界条件。材料热特性方面，金属导体（如铜）的热导率约为400 W/(m·K)，但随温度升高会略有下降（如100℃时铜的热导率约为370 W/(m·K)）；绝缘材料（如交联聚乙烯XLPE）的热导率较低（约0.35 W/(m·K)），且对温度更敏感——这些参数需通过实验测量（如热线法测热导率、差示扫描量热法测比热容）获取，而非直接引用文献值。

边界条件的获取则需结合现场环境：户外设备的环境温度可通过气象站数据统计（如年均最高温度35℃），风速可通过现场风速仪测量（如年均风速1.5 m/s）；油浸式变压器的冷却油流速需通过油泵参数计算（如油泵流量50 m³/h，油道截面积0.01 m²，则流速约1.4 m/s）。

仿真模型的校准是确保准确性的关键步骤。例如在变压器温度场仿真中，需用红外热像仪测量绕组的实际温度，与仿真结果对比——若仿真热点温度比实际高10℃，则需调整冷却油的热导率（如从0.12 W/(m·K)降至0.11 W/(m·K)），直至误差控制在5%以内。部分场景还需通过敏感性分析量化参数不确定性的影响：例如土壤热导率波动±20%时，电缆导体温度的变化幅度，为运维决策提供容错空间。

变压器可靠性评估：从热点温度到绝缘寿命的量化

变压器是输变电系统的“心脏”，其可靠性主要取决于绝缘系统的寿命——而绝缘老化速率与热点温度呈指数关系（Arrhenius方程）。温度场仿真的核心目标是定位绕组的热点温度（通常比平均温度高10~20℃），并量化其对绝缘寿命的影响。

以油浸式变压器为例，仿真步骤如下：首先用SolidWorks建立绕组、铁芯、冷却油道的三维模型，通过ANSYS Meshing划分网格（绕组区域网格大小2mm，油道区域1mm）；然后导入铜损（根据负载电流计算，如1000A时铜损为50kW）、铁损（通过ANSYS Maxwell计算，如空载时铁损为10kW）作为热源；接着施加边界条件：冷却油入口温度40℃、流速0.5m/s，环境温度25℃、风速1m/s；最后用ANSYS Thermal与Fluent联合仿真，得到绕组的温度分布云图——若热点温度为115℃，则根据Arrhenius方程（活化能Ea=1.1 eV，参考温度T0=110℃时寿命L0=20年），计算得剩余寿命约为10年，需提前规划绝缘检修。

高压断路器可靠性评估：触头温度与开断性能的关联

高压断路器的故障多源于触头过热——载流时触头接触电阻的微小增加（如从10μΩ增至20μΩ）会导致损耗翻倍，局部温度可能超过铜的软化点（约200℃），引发触头变形、接触面积减小，最终导致开断失败。

温度场仿真可精准预测触头的温度分布。以真空断路器为例，触头为杯状结构（直径100mm，厚度5mm），载流时的接触电阻损耗约为100W。仿真时用FEM建立触头模型，划分网格时将触头接触区域（直径10mm）的网格加密至0.5mm；施加边界条件：触头损耗100W，灭弧室内部空气温度30℃，流速0.2m/s；求解后得到触头的温度分布——若触头最高温度为180℃（低于软化点），则可靠性符合要求；若超过200℃，则需调整触头材料（如采用铜钨合金，热导率更高）或优化触头结构（增大接触面积）。

电力电缆可靠性评估：载流量与土壤散热的平衡

电力电缆的可靠性取决于导体温度是否超过额定值（如XLPE电缆的长期允许温度为90℃）——温度过高会加速绝缘老化，甚至引发热击穿。温度场仿真的核心是模拟电缆与土壤的热交换，预测导体的最高温度，从而确定电缆的额定载流量。

以地下交联聚乙烯电缆（截面300mm²，埋深1m）为例，仿真步骤如下：用FEM建立电缆结构（导体、绝缘、护套、铠装）与周围土壤的模型（土壤半径5m，模拟无限域）；材料参数：导体热导率400 W/(m·K)，绝缘热导率0.35 W/(m·K)，土壤热导率1.5 W/(m·K)；边界条件：导体损耗150W/m（根据电流计算），土壤表面温度25℃，土壤底部温度15℃；求解后得到导体的温度分布——若导体最高温度为85℃（低于90℃），则电缆可安全运行；若达到95℃，则需降低载流量（如从400A降至350A），或更换热导率更高的土壤（如添加细砂，提高土壤热导率至2.0 W/(m·K)）。