8000kVA超大容量感應調(diào)壓器空載運行油溫超溫的原因分析研究

梁小云

摘要：油溫是表征油浸式感應調(diào)壓器散熱效果和絕緣性能的重要指標，本文就某實驗室油浸式感應調(diào)壓器在空載運行時經(jīng)常出現(xiàn)油溫超溫問題進行了分析，一方面，由于鐵芯硅鋼片片間絕緣損壞，造成表面短路使得渦流損耗急劇增加;另一方面，變壓器油流速較慢，因熱對流產(chǎn)生的散熱效果較差，散熱片的油循環(huán)速率較緩。通過分析并基于matlab仿真證實了損耗和散熱是引起油溫超溫的主要原因。

關(guān)鍵詞： 感應調(diào)壓器;油溫超標;渦流損耗;熱對流。

0引言

油浸式感應調(diào)壓器油箱中的變壓器油起著絕緣、降溫和滅弧作用，而油浸式感應調(diào)壓器一般都采用A類絕緣，這就要求感應調(diào)壓器運行時頂層油溫不得超過85℃，否則會加速其絕緣老化速度，嚴重降低絕緣壽命[1]，從而帶來安全隱患。為此，在感應調(diào)壓器運行時需要實時監(jiān)測頂層油溫并設置超溫預警，一旦其在負載運行時出現(xiàn)超溫預警，能確保及時退出運行。

某電源系統(tǒng)中的8000kVA超大容量感應調(diào)壓器型號為TYSA-8000/10.5，在空載工況下運行20min就觸發(fā)頂層油溫超溫預警（70℃），其超溫時感應調(diào)壓器自身溫度曲線如圖1所示。

1感應調(diào)壓器的電氣原理及傳熱過程分析

1.1感應調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，感應調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)可分為主體、冷卻油箱及傳動機構(gòu)三大部分。其中，主體部分在結(jié)構(gòu)上類似于繞線式異步電動機，只是其定、轉(zhuǎn)子繞組除了磁場的耦合外，還有電的聯(lián)系。鐵芯的主要構(gòu)件硅鋼片采用沖片疊壓工藝，為降低電磁噪聲，機身采用整體鑄鐵結(jié)構(gòu);冷卻油箱在結(jié)構(gòu)上與一般電力變壓器的基本相仿，周圍的散熱片是最主要的散熱結(jié)構(gòu)，變壓器油可通過散熱片實現(xiàn)循環(huán)自冷;傳動機構(gòu)采用手動和電動兩用的蝸輪、蝸桿、傳動電機和減速器裝置，其作用是卡住轉(zhuǎn)子，使其只能在0°～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。

1.2 感應調(diào)壓器的調(diào)壓原理

TM10感應調(diào)壓器在能量轉(zhuǎn)換關(guān)系方面類似于異步電動機與變壓器的組合體[2]，其電氣原理圖如圖3中的（a）圖所示，由于三相繞組結(jié)構(gòu)對稱，為便于分析，下面以A 相為例進行具體闡述。如（b）圖所示，定、轉(zhuǎn)子繞組采用降耦星形連接，其中一次串聯(lián)繞組W1c和一、二次公共繞組Wg置于定子上，二次串聯(lián)繞組W2c置于轉(zhuǎn)子上。正常工作時，當W1c和Wg接入一次電壓U1（10kV）后，將在定、轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場以同步轉(zhuǎn)速切割繞組W2c，從而產(chǎn)生感應電動勢E2c，此時借助傳動機構(gòu)使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對角位移（最大為180°電角度），從而改變E2c與Ug之間的電角度θ，使負載電壓實現(xiàn)300V～10.5kV的無級、平滑調(diào)節(jié)。

依圖（c），空載輸出電壓U20計算公式為：

1.3 感應調(diào)壓器熱源分析

感應調(diào)壓器在運行過程中產(chǎn)生的有功損耗以熱能的形式發(fā)出導致內(nèi)部溫度升高，而感應調(diào)壓器的內(nèi)部熱源主要為鐵芯和繞組，其產(chǎn)生的損耗分別為鐵耗和銅耗，故本文主要研究鐵芯和繞組這兩大熱源來分析該感應調(diào)壓器產(chǎn)熱情況。

1.3.1 鐵芯熱源

感應調(diào)壓器鐵芯產(chǎn)生的損耗統(tǒng)稱為鐵耗（P0），主要由磁滯損耗（Pc）和渦流損耗（Pw）兩部分組成[1]。其中，磁滯損耗是由于鐵芯在反復磁化的過程中因磁滯現(xiàn)象而消耗的能量，計算公式如式3所示：

渦流損耗是由于抵抗磁通的變化，所產(chǎn)生感應電流消耗的能量[1]，計算公式如式4所示：

由公式3、4可知，鐵心熱源的產(chǎn)熱情況與硅鋼片的材質(zhì)和加工工藝等息息相關(guān)，硅鋼片的優(yōu)劣直接決定了運行時鐵芯發(fā)熱量的高低。

1.3.2 繞組熱源

感應調(diào)壓器銅耗是由于電流流過感應調(diào)壓器繞組時因繞組發(fā)熱而產(chǎn)生的損耗，計算公式如5、6所示：

由式5可知，繞組熱源的產(chǎn)熱情況相對固定，在環(huán)溫和負載一定的情況下只與繞阻阻值的大小有關(guān)。

1.4 感應調(diào)壓器傳熱過程分析

感應調(diào)壓器運行時，熱源開始產(chǎn)熱，感應感應調(diào)壓器本體迅速升溫，熱能以傳導的方式釋放到油箱中，熱源附近的變壓器油因局部溫度升高而使其密度變小，此時由于油箱中溫度分布不均，變壓器油因密度差異開始流動，密度小的不斷上升，從而頂層油溫持續(xù)升高。此時，油箱內(nèi)部一方面以熱對流的形式交換熱量，一方面通過散熱片進行循環(huán)散熱，將熱量傳導到外界空氣中。這樣，經(jīng)過一段時間后，油箱內(nèi)部將達到熱平衡，油溫僅在小范圍內(nèi)波動。由此可見，油浸自冷感應感應調(diào)壓器的熱傳遞過程主要涉及到三種傳熱方式，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射。相比之下，感應調(diào)壓器中的熱對流對油溫的影響最大，所以本文從熱對流過程入手分析。

依圖4（a）圖所示，大致反映了油箱內(nèi)相對位置與油溫的關(guān)系[1]。圖中，A為油箱頂層油溫，C為油箱底層油溫，B為油箱內(nèi)平均油溫，可見，在感應調(diào)壓器運行時頂層油溫最高，因此要時刻監(jiān)視頂層油溫，只要確保頂層油溫不超過限值，油溫便不會超溫。（b）圖則大致反映了油溫變化過程，首先油溫會快速升高，短時間內(nèi)達到較高溫度，然后上升速率會趨于平緩，最后則達到熱平衡，油溫基本維持不變。

2感應調(diào)壓器在空載運行條件下的損耗分析

2.1.1 空載損耗分析

理論上，由于空載電流較小，在一次繞組中產(chǎn)生的電阻損耗可忽略不計，所以空載輸入功率可認為基本上是供給鐵芯損耗的。通過測量，發(fā)現(xiàn)感應調(diào)壓器的空載電流為46A，而空載損耗為61kW。鐵耗產(chǎn)生的熱量通過熱傳導的方式在使鐵芯升溫的同時大部分釋放到了油箱中，使油溫升高。根據(jù)公式7，可以計算出空載運行時在未達到熱平衡之前，每小時油溫升高的度數(shù)。

即在未達到熱平衡時的快速升溫階段，假如不考慮散熱，空載運行1h油溫將上升26.7℃，實際上，根據(jù)圖1中的（b）圖可知，油溫1h只上升了22℃，說明空載運行時在未達到熱平衡時的快速升溫階段，通過內(nèi)部熱對流及散熱片散熱每小時僅降低油溫4.7℃。

2.1.3 Matlab仿真分析

根據(jù)感應調(diào)壓器測量得到的繞組參數(shù)值（一、二次繞組阻值均為0.02Ω，0.30H），利用Matlab中的Simulink仿真平臺搭建模塊進行仿真。同時，為了便于仿真分析，假設定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相同，且相對電角度為180°，此時公共繞組與二次繞組同軸，空載輸出電壓最大。圖6～圖9為仿真電路及波形數(shù)據(jù)。

仿真結(jié)果分析：通過仿真，可知TM10空載運行時空載電流為42A，空載損耗為60.851kW。這與測量值基本相同，說明TM10仿真模型與實際大致相符。

4 結(jié)論

本文通過研究8000kVA/10kV感應調(diào)壓器的空載油溫超標問題，得出結(jié)論：大容量感應調(diào)壓器空載油溫超溫是由空載損耗過大引起的，而空載損耗往往是由鐵耗決定的;對于油浸自冷感應調(diào)壓器，負載運行時油的流速慢，熱對流及散熱片循環(huán)冷卻產(chǎn)生的散熱不好。是空載損耗溫度超溫的主要原因。

參考文獻

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