風速對油浸式變壓器繞組熱點溫度影響的研究

許博文 趙振剛 許曉平 劉 暢 金能思

（1.昆明理工大學信息工程與自動化學院；2.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院研究生工作站）

油浸式變壓器在電力系統(tǒng)中起著重要的作用， 其繞組熱點溫度能夠衡量變壓器的負載能力、運行壽命等重要指標。 有數(shù)據(jù)顯示，在引發(fā)變壓器故障的原因中，60%以上是變壓器在工作時繞組熱點溫度過高引起的絕緣系統(tǒng)損壞，失去作用。 依據(jù)國家標準六度法則，對于油浸式變壓器中常用的絕緣材料，其繞組溫度每升高6 ℃，變壓器的使用壽命縮短一半［1］。 因此對變壓器繞組熱點溫度變化進行研究，對保證絕緣系統(tǒng)的正常工作有著重要意義。 在實際中，進行繞組熱點溫度監(jiān)測時，自然風對變壓器的散熱影響不可忽略。

油浸式變壓器自身的散熱能力比較弱， 并且容易受到外界壞境因素的干擾。 常用的變壓器經(jīng)常安放在特殊的露天環(huán)境中， 由于云南地區(qū)晝夜環(huán)境變化復雜，一天內(nèi)自然風速變化明顯，對變壓器的散熱影響很大。 本研究中的自然風速采用文獻［2］中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了方便計算，對每小時內(nèi)監(jiān)測的風速取平均值。 筆者以云南某公司生產(chǎn)的10 000 kVA、35 kV油浸式變壓器為研究對象，運用有限元分析方法對變壓器在不同風速下的工作狀態(tài)進行二維建模， 同時搭建溫升實驗平臺，測量繞組對應位置的具體溫度值，并對有限元仿真結果與實際測量值進行對比分析，以驗證仿真模型的有效性［2，3］。

1 變壓器內(nèi)部傳熱行為分析與建模

變壓器在工作時，熱源主要來自其內(nèi)部重要結構器件在實際運行中損耗產(chǎn)生的熱量，主要由鐵芯產(chǎn)生的空載損耗和繞組產(chǎn)生的負載損耗組成［4］：

式中 PC——空載損耗；

PL——負載損耗；

PT——總損耗。

油浸式變壓器工作過程中的損耗主要以產(chǎn)生熱量使內(nèi)部結構件溫度升高的方式體現(xiàn)出來，在熱傳遞過程中，產(chǎn)生的熱量使熱源自身的結構件溫度上升，然后繞組和鐵芯通過熱傳導和熱對流的方式把熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中，使周圍的介質(zhì)油溫度升高，然后冷卻介質(zhì)油以熱傳導的形式把熱量傳遞到周圍油箱壁表面，最終熱量在油箱壁外表面以熱輻射的方式傳遞到周圍環(huán)境中［5，6］。

由于變壓器內(nèi)部器件結構復雜、 數(shù)量多，因此對變壓器整體建立模型，計算量巨大，計算過程復雜，很難得到有效的數(shù)據(jù)。 而變壓器的繞組一般為圓柱體形狀，具有軸對稱的特點，且沿著繞組的中心軸線向外得到任意方向軸截面，可以用來代表繞組中心軸周圍任一方向，同時變壓器內(nèi)部各方向熱傳遞方式一致，故可將復雜的三維模型簡化為二維模型，這樣能在降低計算量的同時滿足實際工況［7～9］。

筆者運用ANSYS Fluent軟件對油浸式變壓器進行二維建模。 油浸式變壓器各結構參數(shù)和材料屬性見表1、2。

表1 油浸式變壓器各部件的結構參數(shù)

表2 油浸式變壓器的材料屬性

利用Ansys Fluent軟件，結合鐵芯、繞組的實際參數(shù)建立的簡化后的油浸式變壓器二維模型如圖1所示［10～12］。

圖1 簡化后的油浸式變壓器二維模型

筆者主要研究外界自然風速變化對繞組溫升的影響，因此需要使求解環(huán)境接近實驗環(huán)境以驗證仿真的準確性［13］。 設定室溫為20 ℃，進口油速為0.05 m/s，熱源設置為均勻發(fā)熱體。 根據(jù)變壓器出廠測試結果，繞組發(fā)熱功率為230 875 W/m3，鐵芯發(fā)熱功率為1 074 W/m3。 變壓器油的主要流動力是溫度變化使得油的密度發(fā)生改變而產(chǎn)生的熱浮升力，熱浮升力迫使油流產(chǎn)生自然循環(huán)運動。 變壓器油的物理特性參數(shù)隨溫度T的變化見表3。

表3 變壓器油的物理特性參數(shù)隨溫度T的變化

根據(jù)熱阻的定義，將變壓器油箱壁表面對流散熱的熱阻R表示為：

式中 A——箱體散熱表面積；

h——對流換熱系數(shù)。

為更好地研究環(huán)境風速對變壓器散熱的影響，可通過傳熱學中對流換熱系數(shù)與風速的數(shù)學關系，將風速引入到仿真模型中。 傳熱學中，對流換熱系數(shù)與風速的關系可表示為：

其中，D為結構尺寸；w為自然風風速；E為常數(shù)，取1.43；n也為常數(shù)，取0.412；v為速度［4］。

2 仿真結果與實驗結果對比

采用數(shù)值法對變壓器二維流固耦合傳熱模型進行求解計算，得出1倍額定功率下，外界環(huán)境溫度為20 ℃、進口油速為0.05 m/s時，繞組溫度的分布情況（圖2）。

圖2 變壓器內(nèi)部溫度分布

為驗證仿真模型的準確性， 筆者對35 kV油浸式變壓器進行溫升實驗，實驗利用光纖Bragg光柵溫度傳感器對繞組溫升情況進行精確測量，首先將光纖溫度傳感器安裝在低壓繞組間的墊塊上，忽略墊塊對溫度變化的影響。 從上至下在繞組中共布設5只溫度傳感器，如圖3所示。

圖3 傳感器的安裝與布設

將測得的外界環(huán)境為20 ℃時變壓器繞組溫度與仿真結果做對比，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 繞組溫升實驗數(shù)據(jù)與仿真計算數(shù)據(jù)對比（20 ℃）

由表4可知， 以實際變壓器結構參數(shù)為模型的有限元仿真計算結果與變壓器溫升實驗直接測量結果的誤差均在2 ℃以內(nèi)， 繞組整體的溫度分布情況與溫升實驗中繞組溫度分布情況幾乎一致，證明了該仿真模型的有效性。

3 自然風速對繞組熱點溫度的影響

為了更加準確地研究自然風速對繞組熱點溫度的影響，筆者分別選擇一天中無風（0.00 m/s）、最低風速（3.10 m/s）、平均風速（3.60 m/s）、最高風速（4.45 m/s）時進行仿真計算，具體結果見表5。

表5 不同自然風速下變壓器繞組熱點溫度

將不同自然風速下的變壓器繞組溫度分布結果進行處理，分別得出無風（0.00 m/s）、最低風速（3.10 m/s）、平均風速（3.60 m/s）、最高風速（4.45 m/s） 時， 繞組熱點溫度為69.0、65.5、65.0、64.8 ℃的擬合曲線，如圖4所示。 由圖4的擬合曲線可以看出，隨著外界自然風速的升高，繞組熱點溫度會降低。

圖4 不同風速下繞組熱點溫度情況

4 結束語

筆者運用數(shù)值分析法分析環(huán)境溫度變化對繞組熱點溫度分布的影響， 用ANSYS Fluent軟件對變壓器進行二維建模，并通過變壓器溫升實驗加以驗證。 以實際變壓器參數(shù)建立平面二維模型計算的有限元仿真結果與實際溫升實驗直接測量的結果誤差在2 ℃以內(nèi)， 驗證了有限元仿真模型的有效性。 由不同自然風速下的變壓器繞組溫度的分布可知，變壓器繞組溫度會隨風速的增加而降低。 對一天中無風、平均風速、最高風速、最低風速下的繞組溫度進行有限元仿真，計算結果表明，風速對變壓器熱點溫度的影響最高為4.2 ℃。 因此在工程應用中，在變壓器的周圍設置大型風扇， 能夠有效降低絕緣紙的溫升現(xiàn)象，提高絕緣紙的使用壽命。