船用干式整流變壓器冷卻方式研究

張禮運，趙貴武

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船用干式整流變壓器冷卻方式研究

張禮運，趙貴武

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149 )

為了研究船用干式整流變壓器冷卻方式，本文應用了ANSYS軟件，采用流固耦合方法，針對一臺干式整流變壓器建立出可計算等效簡化模型，通過建立干式變壓器的二維模型，分析了干式變壓器的溫度場分布，并計算了該變壓器在不同風速時的繞組的最熱溫度，根據仿真和計算結果設計了一種風水冷卻器用于整流變壓器的冷卻。

干式整流變壓器 ANSYS有限元 風水冷卻器

0 引言

船用干式整流變壓器容量較大，一般需采用風冷卻方式才能將變壓器的熱量帶走，但受船艙環境的影響，使得許多船用設備都集中布置在船艙內，不同的船用設備在使用中都產生了大量的熱量，這些熱量不能及時散到艙外，使得船用設備的使用環境急劇惡化，降低了設備的性能和壽命。因此船用整流變壓器對冷卻方式提出了更高的要求。本文在這一前提下，分析了船用整流變壓器的特點，設計了一種風水冷卻作為船用整流變壓器的冷卻方式[1-2]。

1 干式變壓器的損耗及散熱方式

1.1 干式變壓器損耗

船用干式整流變壓器損耗有兩部分組成，空載損耗和負載損耗。空載損耗主要是變壓器的鐵芯損耗，它由磁滯損耗和渦流損耗組成，與變壓器導磁材料、磁通密度及頻率有關。負載損耗又稱短路損耗，主要是變壓器負載和磁化電流在一、二次繞組電阻中產生的功率損耗，變壓器的負載損耗還受變壓器的溫升影響，在其他條件相同的條件下不同的溫升所產生的負載損耗值可以根據下式來計算：

1.2 干式變壓器散熱方式

干式變壓器的散熱方式包括傳導、對流和輻射。具體來說，變壓器的繞組內部依靠熱傳導的方式把熱流從溫度較高的部分傳到溫度較低的部分，而暴露在空氣中的各表面部分傳遞熱流則是以對流和輻射的方式。

2 ANSYS軟件溫度場計算流程

在進行溫度場求解過程中有兩點需要注意：

1) 在變壓器建立模型的過程中，一定要注意建模的先后順序，流體場模型一定要最先建立，然后在此基礎上添加材料屬性和剖分網格。

2) 在設置求解參數時，慣性松弛因子和人工粘性因數是很重要的兩個參數，它們的設置很關鍵。慣性松弛因子一般是在一次次的求解中逐漸增加，人工粘性則相反。同時，為了知道什么數量級求解得更加準確需要多次試驗。初值的設置同樣需要多次試驗[3]。

3 變壓器溫度場分析與仿真

3.1變壓器溫度場分析

本文計算的是一臺容量為4000 kVA的環氧樹脂干式變壓器，其具體參數如下所示：

容量：4000 kVA；變比：690/2×720 V；矢量組：Dd0y11；繞組材質：銅；短路阻抗：7％。

其各部分損耗參數如表1所示。

為了在整個區域得到一個較好的溫度場模型，需要采用無窮遠邊界條件施加在流體的邊界上，這樣才能得到一個足夠大的流體模型，方便于模型的計算。本文采用ANSYS軟件進行計算，對模型中的流體場、固體場和溫度場的耦合進行分析和計算，力求在分析和計算過程中建立一個合理的幾何模型，使模型最大限度接近實際情況。

因為流體和固體在模型的建立中都存在耦合問題，所以固體模型上部的流體部分可建立為固體模型高度的 1.2 倍左右。

3.2變壓器溫度場仿真結果

對干式整流變壓器的的重要組成部分內部溫度進行了分析，其鐵心、高壓繞組和低壓繞組的分布結果如下所示。

干式變壓器低壓繞組最高點的溫度位于軸向的中心位置偏上十分之七處，干式變壓器高壓繞組最高點的溫度位于繞組軸向偏上部位置的十分之八處。通過溫度曲線分布還可以看出高壓和鐵心的溫度明顯低于低壓繞組的溫度。這是因為低壓繞組位于高壓繞組和鐵心之間，受到了高壓繞組、鐵心對流和輻射的影響。通過上圖還可以明顯看出低壓繞組有兩個溫度轉折點，這兩個轉折點位于繞組中銅和樹脂絕緣材料接觸的部分，這是因為銅和絕緣材料導熱系數不同造成了溫度曲線的明顯的體現。

從圖中可以看出干式變壓器徑向溫度分布情況，總體來說徑向溫度分布很平均，變化不大。干式變壓器高壓繞組的徑向溫度最高點位于幾何中心位置向左，靠近低壓繞組。干式變壓器低壓繞組徑向的最高溫度位于左側，位于鐵心相對的那個面，而右側的溫度較低一些，從總體上來看低壓繞組的最高溫度和最低溫度差別很小。鐵心的徑向最高溫度位于幾何中心處。

4 不同風速下繞組熱點溫度的計算

為了適應不同地區干式變壓器設計的需要，就需要了解不同風速對繞組熱點溫度的影響，用以輔助變壓器的設計。為了這個目的，本文計算了該變壓器在不同風速時的繞組的最熱溫度。

5 船用變壓器冷卻方式

根據理論分析及仿真結果設計了一種風水冷卻器用于船用干式整流變壓器的冷卻。整流變壓器處于密封殼體內，在變壓器中部有一隔風擋板，使得大部分冷卻空氣在整流變壓器外部繞組的表面和風道內流過。

6 結論

本文根據變壓器溫度場理論分析和仿真結果，并根據船用整流變壓器的實際工作環境，設計了一種風水冷卻器作為船用整流變壓器的散熱裝置，這種冷卻方式即達到了風冷的效果，有效的降低了設備的溫度，又把設備產生的熱量帶出艙外，改善了設備的工作環境。

[1] 湯焱, 劉成遠, 郝忠言, 等. 變壓器繞組熱點溫升的計算與實驗研究[J]. 變壓器, 2001, 38(2): 1-5.

[2] 嚴寒, 郭永基, 林兆莊. 樹脂絕緣干式變壓器內部溫度場分布仿真研究[J]. 清華大學學報(自然科學版), 1999, 39(7): 1-4.

[3] 王福康. 干式變壓器漏磁場及溫度場的研究[碩士論文]. 河北: 河北工業大學，2007:10-23.

[4] 魏剛.基于 ANSYS 的變壓器內部故障計算軟件的研究:[碩士論文]. 北京:華北電力大學，2008: 10-23.

Research on Cooling Mode of Marine Rectification Transformer

Zhang Liyun，Zhao Guiwu

（China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China ）

TM412

A

1003-4862（2015）01-0058-03

2014-08-25

張禮運(1961-),男，高工。研究方向：工程船舶設備配套。