油浸式變壓器溫度場的有限元分析研究

任小波

摘要：油浸式變壓器穩定滿載運行過程中，鐵芯、繞組會產生大量熱量，故對其使用壽命產生嚴重影響。因此，有必要對油浸式變壓器的鐵芯、繞組溫度場的熱點分布情況進行研究。本文通過計算得到在滿載運行過程中的各部分損耗產熱，將其損耗數據轉換為發熱載荷輸入ANSYS CFX中對該35kV油浸式變壓器進行溫升分析，得到該油浸式變壓器的溫升分布情況。仿真結果表明，在滿載運行過程中，120min內，溫升由高到低依次是：低壓繞組，高壓繞組，鐵芯。從而為油浸式變壓器的安全傳輸以及分配提供可靠的依據。

Abstract： In the full loading process of oil-immersed transformers， iron core， winding will generate a lot of heat， so it has a serious impact on their life. Therefore， it is necessary to study the hot distribution of the temperature field of iron and winding. In this article， we can know hot distribution of each part via calculation when transformers are in full loading operating process and convert the loss of data to heat loading and then enter it to ANSYS CFX for the analysis of the rising temperature of the 35kV oil-immersed transformers. At last， we learn the temperature distribution. From the result of the simulation， at the full loading operation and within 120min， the temperature descending order shows： low-voltage winding， high-voltage winding， core. So as to it can provide a reliable basis for the secure transmission and oil-immersed distribution transformers.

關鍵詞：油浸式變壓器；溫度場；鐵芯；繞組；熱點

Key words： oil-immersed transformers；temperature field；core；winding；hot spot

中圖分類號：TM411 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0094-05

0 引言

變壓器是電力系統中的重要元件，但變壓器運行過程中往往會產生大量熱量。溫度過高是造成油浸式變壓器故障的主要因素，一般而言，變壓器內部各部分的溫度不同，低壓繞組溫度最高，其次為高壓繞組，再其次是鐵芯。變壓器繞組的溫度分布是不均勻的，如果繞組產生局部過熱，將直接影響變壓器的壽命與安全運行，同時，鐵芯溫度過高也會帶來相應的安全隱患。因此變壓器的繞組、鐵芯熱點溫度研究受到許多學者關注。為了更深入研究油浸式變壓器的溫度分布情況，就需要在研究分析油流的基礎上對內部器件的溫度分布情況進行研究。目前，對油浸式變壓器的溫度研究主要集中在公式的計算以及簡單的實驗，因此難以分析出變壓器內部溫度場的準確分布情況。杜莉，王秀春對油浸式變壓器的溫度場進行了研究，以100kV三相油浸式變壓器為實例，建立油箱模型，使用FLUENT 軟件對油箱的溫度場進行分析，得出繞組、鐵芯之間的溫差明顯，找出了繞組的熱點位置[1]；方海彬對油浸式變壓器的油流以及繞組的溫度進行了研究，使用有限元分析法對油流場以及繞組的溫度變化情況進行分析，通過分析不同擋油板以及油流速，得出了增加繞組中的油道以及加快油流速可以有效降低繞組的最熱點溫度[2]。隨著科技的發展以及各類仿真軟件的應用，油浸式變壓器熱點分布研究要求將會變得越來越高。因此，如何有效的研究變壓器的溫度分布情況將會得到很多專家學者的重視。

本文對35kV油浸式變壓器進行建模分析，具體以35kV油浸式變壓器（型號為S13-12500/35型油浸式無勵磁調壓電力變壓器）為模型，對其熱量損耗進行計算，然后分析熱點分布情況。

1 35kV油浸式變壓器熱流場模型的建立

1.1 35kV油浸式變壓器的熱量傳遞過程

油浸式變壓器在正常工作時，內部存在損耗，由于繞組、鐵芯的導熱性較好，所以變壓器繞組及鐵芯的溫度升高很快。隨著繞組鐵芯的溫度快速升高，它們內部的熱量會傳遞到外表面，又因為繞組和鐵芯處在溫度不高的變壓器油里面，溫度高的鐵芯以及繞組會由于溫差的存在，將自身的熱量傳遞給變壓器油。當變壓器工作一段時間后，其內部的油循環就處于一個穩定的狀態，這時繞組以及鐵芯的溫度不會再像剛開始那樣急劇升高，繞組及鐵芯內部的熱量會隨著變壓器油的流動而散出。這個時候，油浸式變壓器內部就形成了一種產熱與散熱的熱平衡狀態[3-4]。變壓器內部熱量流動路徑如圖1。

1.2 35kV油浸式變壓器部件計算模型

為達到變壓器內部實際溫度分布情況，對變壓器熱流場進行仿真分析，考慮流體以及固體兩方面。對此進行固體區域、流固交界區域的計算。

固體區域，把鐵芯、繞組的內部看作介質連續，滿足T=T（x，y，z，t），T表示溫度，x，y，z分別表示物體溫度的幾何空間坐標，t表示時間。導熱的基本定律為：q==-λn[5]，式中q表示熱流密度，φ表示傳導熱流量，A表示與傳熱方向垂直的橫截面積，λ表示導熱系數。

固液交界面上，固體和液體的熱耦合是靠對流換熱進行的，對流換熱的基本計算公式一般采用牛頓冷卻公式。在變壓器的鐵心和繞組與油流之間滿足q=h（tw-tf），tf表示流體溫度，tw表示壁面溫度，h表示表面對流換熱系數，h的大小與流體的性質以及換熱表面的形狀、大小與布置，而且還與流速有密切的關系。

1.3 35kV油浸式變壓器的熱損分析

變壓器運行過程中，線圈中的交流電會產生基本銅損。基本銅損計算表達式為：P=3Ir1+3Ir2[6]，I表示原邊繞組的相電流，I表示副邊繞組的相電流，r1表示原邊繞組的總電阻，r2表示副邊繞組的總電阻。

鐵芯中勵磁電流會產生交變磁通，在交變條件下鐵磁材料產生鐵損。鐵損在工程計算中，通常是根據變壓器選用的桂鋼片型號和最大磁通密度Bm來計算，首先通過查閱娃鋼片型號的鐵損曲線得到單位重量的鐵損值，再與變壓器鐵心的重量的乘積就是基本鐵損。計算式表述為：P0=K0GFePc，Pc=P1/50（F/50）βB，式中P0表示基本鐵損，K0表示鐵心損耗的工藝系數，GFe表示鐵心的重量，Pc表示單位重量鐵耗，P1/50鐵耗系數，β頻率指數。

在變壓器內部油流溫度的數值計算中，對鐵心和高低壓繞組等產熱損耗結構件施加旳是單位體積熱源g，其表達式為：q=p/v[7]，式中v表示熱源的體積，p表示熱源的產熱功率。

2 35kV油浸式變壓器部件參數

2.1 基礎數據

35kV油浸式變壓器的型號為S13-12500/35型油浸式無勵磁調壓電力變壓器。S13-12500/35型油浸式電力變壓器與S11型相比，空載損耗下降25%，空載電流下降35%，年運行成本下降10.5%。該變壓器的額定容量為12500kVA，高壓為35kV，低壓為5.3kV。實際功率為額定容量乘以額定功率因數，常規情況下負載為感性負載，功率因數為0.9至0.95之間。

2.2 結構數據

鐵芯材料采用高導磁低損耗優質硅鋼片，結構為拉螺桿夾持剛性框架結構。繞組采用優質無氧銅導線。鐵芯的材料是鋼板30Q120（30mm厚冷軋取向電工鋼板），鐵柱的直徑為44cm，三鐵柱中心距為78cm，鐵柱與低壓繞組的間距是1.4cm，與高低壓繞組的間距是2cm，鐵芯的高度為72cm。

高壓繞組材料為紫銅，高壓繞組一共有432匝，每匝的截面積為56.33mm2，電阻為0.333歐姆，額定電流為149.96A，額定安匝數64782.72安匝。

低壓繞組材料為紫銅，低壓繞組一共有114匝，每匝的截面積為15.51mm2，電阻為0.024歐姆，額定電流為529.1A，額定安匝數60317.4安匝。

該35kV油浸式變壓器的繞組連接方式采用的是YNd11。在變壓器的聯接組別中“Y”指高壓側為星形接線，“d”指低壓側為三角形接線，“N”指一次帶中線，“11”指一次的UAB的向量指向時鐘的12°而二次的Uab的向量指向時鐘的11°。即變壓器低壓側的線電壓Uab滯后高壓側線電壓UAB330度（或超前30度）。高壓線電壓35kV正弦電壓，低壓線電壓5.3kV正弦電壓，電壓變比為6.6：1，高低壓同相繞組電壓相位差為11點鐘方向。如圖2。

3 35kV油浸式變壓器部件仿真

滿載運行過程中，計算得到各部分損耗產熱，將其損耗數據轉換為發熱載荷輸入ANSYS CFX中對該35kV油浸式變壓器進行溫升分析。

3.1 仿真模型的繪制

利用ANSYS Workbench，針對變壓器鐵芯、繞組進行建模，在對鐵芯、繞組進行繪制時，繪制過程中將模型對稱XZ平面與YZ平面，為了方便后續建立剖切面，在這里將鐵芯和繞組近似的繪制成多邊形結構，此處我們選擇前后左右均對稱的12邊形作為繞組和鐵芯的剖切面進行繪制。采用厘米作為長度單位。鐵芯、繞組的繪制如圖3。

仿真基本假設：①油箱環境溫度恒定不變，設置為25℃；②損耗熱量載荷在繞組中均勻分布；③近似認為結構件材料均勻[8]。

3.2 變壓器整體的溫度分布仿真

本次仿真分析的仿真時間設定為30min、60min以及120min。

對變壓器整體的溫度場分布以及最熱點分布進行研究。在變壓器工作一段時間后，對其內部結構以及油箱的溫度進行仿真，得到圖4、圖5、圖6。

對比變壓器工作30min、60min、120min時變壓器整體的溫度分布云圖可以看出：隨著工作時間的增加，變壓器的內部各組件的溫度逐漸升高。由于油液的流動，將繞組、鐵芯中產生的熱量逐漸通過油箱傳遞到外面，所以油箱的溫度從30min的298K增加到120min時的303K。在變壓器工作運行120min時，其最熱點位于低壓繞組上，其最熱點溫度為348.5K。

3.3 低壓繞組的溫度分布仿真

為了詳細分析高低壓繞組的熱點分布情況，對高低壓繞組進行剖切，通過高低壓繞組的分布云圖以及剖切圖的結合，確定變壓器的熱點分布。在仿真中，分別選取30min，60min以及120min三個時間段對繞組、鐵芯的溫度分布情況進行分析。

本文所研究的變壓器為三相油浸式變壓器，所以在分析時對變壓器的A、B、C三相的高低壓繞組都進行了仿真。下文圖中繞組的排放順序為從左至右依次為A、B、C三相繞組。

在變壓器工作30min時，從其低壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時的低壓繞組的熱點位于C相繞組的右側外表面的中部偏上位置，其最熱點的溫度值為319.6K。如圖7，圖8所示。

在變壓器工作60min時，從其低壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時的B相低壓繞組溫度最低，A相低壓繞組的溫度較30min時的溫度有所上升，但是60min時低壓繞組的熱點還是集中在C相繞組上。此時C相繞組的頂端的溫度比30min時高。低壓繞組的熱點位于C相繞組的右側外表面的中部偏上位置，最熱點的溫度值為339.6K。如圖9，圖10所示。

在變壓器工作120min時，從其低壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時最熱點溫度分別位于B相繞組以及C相繞組，最熱點的溫度值為348.5K。在B相繞組中，其最熱點位于左側外表面的中部，在C相繞組中，其最熱點位于右側外表面的中部偏上。如圖11，圖12所示。

3.4 高壓繞組的溫度分布仿真

在低壓繞組的基礎上，分離出高壓繞組，在分析時同樣選取30min、60min以及120min三個時間段，分別對高壓繞組的整體模型以及切面模型進行仿真。

在變壓器工作30min時，從其高壓繞組溫度分布云圖中可以看出此時的A相高壓繞組的內表面溫度最高，最熱點溫度值為311.8K。從其切面圖可以看出，A相高壓繞組的熱點集中在左側。所以30min時，變壓器的高壓繞組的最熱點位置在A相高壓繞組的左側中部的內表面。如圖13，圖14所示。

在變壓器工作60min時，從其高壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時的A與C相高壓繞組都有最熱點的分布，其中A相高壓繞組的最熱點位于左側內表面的中部，C相高壓繞組的最熱點位于右側外表面的中部。最熱點的溫度值為333.4K。如圖15，圖16所示。

在變壓器工作120min時，從其高壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時的B與C相高壓繞組都有最熱點的分布，其中B相高壓繞組的左右側以及內外表面都有最熱點分布，且分布于中部偏上的位置，C相高壓繞組的最熱點位于右側外表面的中部偏上。最熱點的溫度值為337.5K。如圖17，圖18所示。

從以上對鐵芯繞組的溫度分布仿真分析可以看出，低壓繞組和高壓繞組的最熱點都在其中部偏上的位置，在不同的時間段高低壓繞組的最熱點所在面不同。

3.5 鐵芯溫度分布仿真

對鐵芯溫度分布進行仿真時，在高壓、低壓繞組的基礎上，分離出所要分析的鐵芯模型。分析時選取30min、60min、120min三個時間段，仿真結果如圖19-圖21所示。

從圖19得到，在30min時由于變壓器剛開始工作運行時，鐵芯芯柱上產生的熱由于還沒及時傳遞給變壓器油，所以在30min時，鐵芯的熱點溫度主要分布在三個芯柱上，其中最熱點為299.6K。在此階段，從圖上看出各個溫度都為299.6K，此時變壓器剛工作不久，變壓器油流動較為緩慢，鐵芯自身各部分的溫度變化不到一度，所以小數點后面被省略掉了。

從圖20得到，在變壓器工作60min時，鐵芯的最熱點分布不像30min時那樣范圍大，更集中于三個芯柱的中部，從圖可以看出，此時鐵芯的最熱點溫度是306.8K。

從圖21得到，在變壓器工作120min時，鐵芯的最熱點處在三個芯柱的中間，最熱點的溫度為313.7K。

在工作兩小時以后，它們各區域的溫度已不會有差異。為了分析需要，本文的溫升統計截止到120min。對仿真的最熱點溫度進行統計。如表1。

從數據的統計看出，截止到120min時，該35kV油浸式變壓器的最熱點溫度為75.5℃。其中熱量主要是集中在低壓繞組以及高壓繞組上面。

根據統計出的最熱點溫度，計算出變壓器各組件的溫升數值。如表2。

根據表2統計出的變壓器各部件溫升數值繪制溫升曲線圖。如圖22。

從溫升曲線可以看出，在120min內，在繞組鐵芯的溫升中，低壓繞組的溫升值最大，其次是高壓繞組和鐵芯。這是由于低壓繞組緊靠鐵芯，低壓繞組與鐵芯之間間隙較小，因此油液流速低，導致熱量無法擴散，溫升急劇。

4 結論

本文對35kV油浸式變壓器部件進行建模，利用ANSYS Workbench建立油浸式變壓器溫升仿真模型。通過上述仿真模型，分析得到鐵芯、繞組熱點溫度分布以及在滿載運行過程中繞組、鐵芯溫升情況，從而為油浸式變壓器的安全傳輸以及分配提供可靠的依據。

參考文獻：

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