談配電變壓器負(fù)荷狀態(tài)對(duì)繞組熱點(diǎn)溫升影響

作者/李燕、孫巧玲，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司寧津縣供電公司；官清，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司夏津縣供電公司

談配電變壓器負(fù)荷狀態(tài)對(duì)繞組熱點(diǎn)溫升影響

作者/李燕、孫巧玲，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司寧津縣供電公司；官清，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司夏津縣供電公司

使用Gambit能建立出變壓器二維模型，將變壓器二維模型導(dǎo)入到Fluent進(jìn)行計(jì)算，就能對(duì)在各種穩(wěn)態(tài)負(fù)荷的變壓器繞組熱點(diǎn)溫升進(jìn)行計(jì)算，并研究了階躍負(fù)荷和連續(xù)沖擊負(fù)荷下變壓器繞組熱點(diǎn)溫升特性，以便更好地評(píng)估絕緣老化狀態(tài)。

配電變壓器；負(fù)荷狀態(tài)分析；繞組熱點(diǎn)溫升；壓器二維模型；建模；供電企業(yè)；連續(xù)沖擊負(fù)荷

引言

配電變壓器有著絕緣性能強(qiáng)、散熱性能高以及性價(jià)比高的特點(diǎn)，因此油浸式變壓器廣泛應(yīng)用到了電力系統(tǒng)運(yùn)行中，但是隨著配電變壓器的負(fù)荷逐漸增長(zhǎng)，發(fā)熱冷卻問題也就隨之變得更加嚴(yán)重。配電變壓器負(fù)荷狀態(tài)會(huì)直接影響到繞組熱點(diǎn)溫升，并且繞組熱點(diǎn)溫升還會(huì)加劇絕緣發(fā)生老化的速率，這就會(huì)極大減少配電變壓器具有的絕緣性能和壽命。只有對(duì)配電變壓器負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行全面分析和研究，才能對(duì)絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行合理評(píng)估，對(duì)配電變壓器的絕緣壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。

1.對(duì)自然油循環(huán)變壓器建模的分析

■1.1 對(duì)自然油循環(huán)相關(guān)理論的分析

當(dāng)前，我國(guó)電網(wǎng)中使用的配電變壓器主要就是油浸式變壓器，并且百分之八十以上油浸式變壓器使用的冷卻方式為自然油循環(huán)冷卻方式。傳統(tǒng)的冷卻方式有著“噪音擾民”、“油流帶電”的問題，因此，當(dāng)前的大型變壓器也逐漸使用了自然油循環(huán)冷卻方式，本文的主要內(nèi)容就是對(duì)自然油循環(huán)配電變壓器負(fù)荷狀態(tài)對(duì)繞組熱點(diǎn)溫升影響的分析。

在自然油循環(huán)過程中，配電變壓器油的循環(huán)過程主要通過對(duì)分別放置在配電變壓器加熱器和散熱器中的油進(jìn)行加熱和散熱，循環(huán)驅(qū)動(dòng)力和循環(huán)阻力將會(huì)影響到自然油循環(huán)的進(jìn)行。熱脹冷縮會(huì)影響到油流的進(jìn)行，隨著密度的變化，就會(huì)造成較大的浮力差，熱油上升，冷油降低，驅(qū)動(dòng)油流流動(dòng)就形成了自然油循環(huán)的主要?jiǎng)恿Γ挥褪艿轿锢順?gòu)造、油的物理性質(zhì)和流動(dòng)速度將會(huì)影響油循環(huán)過程中的阻力，當(dāng)油循環(huán)中的阻力同驅(qū)動(dòng)油循環(huán)的動(dòng)力相同時(shí)，就能達(dá)到穩(wěn)定的自然油循環(huán)狀態(tài)；如果油循環(huán)中的阻力同驅(qū)動(dòng)油循環(huán)的動(dòng)力不相等時(shí)，油流的溫度和速度就會(huì)發(fā)生變化，這種變化就會(huì)將循環(huán)驅(qū)動(dòng)力與循環(huán)阻力逐漸趨于一致，最終達(dá)到穩(wěn)定的自然油循環(huán)狀態(tài)。

■1.2 對(duì)配電變壓器建模的分析

配電變壓器有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、三相繞組均勻、三維模型計(jì)算量巨大的特點(diǎn)，因此在建模過程中可以將不重要的結(jié)構(gòu)原件放棄，將配電變壓器抽象為簡(jiǎn)單的二維軸對(duì)稱模型。工作人員還要注意在自然有循環(huán)過程中的熱升浮力，熱升浮力會(huì)對(duì)自然油循環(huán)有直接影響。通過Boussinesq模式就能降低收斂速度，在計(jì)算過程中使用SIM-PLE方法，差分格式為二階迎風(fēng)，再進(jìn)行1000次的迭代，將殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為0.00001，外界溫度設(shè)定為20攝氏度，就能得出圖1額定負(fù)載損耗下溫度場(chǎng)與油流場(chǎng)分布云圖。因?yàn)槭褂昧藢恿髂Ｐ停匀挥脱h(huán)變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)分層現(xiàn)象較為明顯，熱點(diǎn)區(qū)域?qū)?huì)集中在繞組端部，此時(shí)在變壓器中縱向油道中的油流動(dòng)的速度就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向油道中的油流動(dòng)的速度，這也保證油流的流動(dòng)更加充分。繞組熱點(diǎn)溫升將會(huì)受到負(fù)荷狀態(tài)的直接影響，并且油流的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)受到繞組在發(fā)熱的直接影響，同時(shí)油流的流動(dòng)狀態(tài)還會(huì)對(duì)繞組熱點(diǎn)溫升造成直接的影響，這些因素導(dǎo)致了繞組熱點(diǎn)溫升過程變得非常復(fù)雜。

圖1 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與油流場(chǎng)分布云圖

圖2 繞組熱點(diǎn)溫度隨負(fù)荷系數(shù)變化曲線圖

2.關(guān)于配電變壓器負(fù)荷狀態(tài)對(duì)繞組溫升影響的分析

■2.1 對(duì)穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下繞組溫升研究的分析

配電變壓器的負(fù)荷狀態(tài)具有不確定性，這就造成了配電變壓器在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)有不同的穩(wěn)態(tài)，在不同穩(wěn)態(tài)下繞組損耗也有非常大的不同。負(fù)荷系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載系數(shù)的平方同高低壓繞組的損耗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正相關(guān)的變化；在空載情況下，損耗屬于勵(lì)磁損耗，勵(lì)磁損耗同負(fù)載沒有直接關(guān)系，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)也不會(huì)發(fā)生變化。具有各種負(fù)荷系數(shù)所對(duì)應(yīng)的繞組熱點(diǎn)溫度如圖2所示。當(dāng)處于空載損耗狀態(tài)時(shí)，繞組熱點(diǎn)溫升就會(huì)很低；隨著負(fù)荷系數(shù)變大，繞組熱點(diǎn)溫升速率也將隨之增加。設(shè)計(jì)人員在對(duì)配電變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)預(yù)留一定的裕度，發(fā)生短暫的輕過載也不會(huì)對(duì)配電變壓器的安全運(yùn)行造成影響，但是隨著負(fù)載的增加，就會(huì)增加發(fā)生繞組絕緣燒毀故障的概率，配電變壓器在這種情況下運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，還會(huì)加劇絕緣老化現(xiàn)象的發(fā)生，最終導(dǎo)致繞組絕緣壽命的減少。

■2.2 關(guān)于階躍負(fù)荷下繞組熱點(diǎn)溫升研究的分析

當(dāng)配電變壓器運(yùn)行出現(xiàn)問題或需要檢修時(shí)，此時(shí)就需要事先準(zhǔn)備的備用配電變壓器投入運(yùn)行，從備用狀態(tài)變成負(fù)載狀態(tài)，發(fā)生問題或進(jìn)行檢修的配電變壓器就會(huì)從先前的負(fù)載狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為空載狀態(tài)。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，組熱點(diǎn)溫升情況與穩(wěn)態(tài)時(shí)差別較大，相關(guān)人員必須對(duì)轉(zhuǎn)換過程的繞組熱點(diǎn)溫升情況進(jìn)行充分的研究。

在階躍負(fù)荷狀態(tài)下，繞組熱點(diǎn)溫升曲線如圖3所示。在階躍負(fù)荷開始發(fā)生作用時(shí)，繞組熱點(diǎn)溫度就會(huì)急速增加，一旦熱點(diǎn)溫度達(dá)到了一定的數(shù)值時(shí)，繞組熱點(diǎn)溫度上升速度就會(huì)減緩，最終達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)負(fù)荷階躍開始下降時(shí)，繞組熱點(diǎn)溫度就會(huì)急劇降低，直至熱點(diǎn)溫升降低到一定的數(shù)值之后，繞組熱點(diǎn)溫度的下降速度就發(fā)有所減緩，最終達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 階躍負(fù)荷下繞組熱點(diǎn)溫升曲線圖

■2.3 在連續(xù)沖擊負(fù)荷下對(duì)繞組溫升研究的分析

由于負(fù)荷具有較強(qiáng)的不確定性，這就會(huì)影響變壓器在使用過程中無法達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)，一直保持在不斷變化的狀態(tài)。在牽引工況過程中，變壓器的負(fù)荷狀態(tài)會(huì)隨著機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)的變化發(fā)生改變，造成負(fù)荷狀態(tài)具有連續(xù)沖擊性，此時(shí)繞組熱點(diǎn)溫升也無法保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)來真實(shí)表示繞組熱點(diǎn)溫升的狀態(tài)，因此，研究人員必須加大對(duì)連續(xù)沖擊負(fù)荷下的繞組熱點(diǎn)溫升的研究力度。繞組熱點(diǎn)的溫度不僅會(huì)受到負(fù)荷狀態(tài)以及負(fù)荷連續(xù)作用時(shí)間的影響，還會(huì)受到前期溫度場(chǎng)和油流場(chǎng)的直接影響，工作人員就能使用不同的沖擊間隔來產(chǎn)生不同的溫度場(chǎng)與油流場(chǎng)。

在連續(xù)沖擊負(fù)荷下繞組熱點(diǎn)溫升曲線如圖4所示，沖擊負(fù)荷發(fā)生作用時(shí)，繞組的溫度就會(huì)急速上升，并且由于沖擊負(fù)荷發(fā)生作用的時(shí)間較短，這就造成繞組熱點(diǎn)的溫度無法達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)；隨著沖擊負(fù)荷的降低，繞組熱點(diǎn)溫度的下降速度就會(huì)急劇降低。但是沖擊負(fù)荷是連續(xù)性的，這就會(huì)導(dǎo)致繞組熱點(diǎn)溫度的上升速度較為緩慢。除此之外，繞組熱點(diǎn)溫度必須同油流平均溫度保持一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，進(jìn)行連續(xù)沖擊負(fù)荷前，使用的油流的溫度只能對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度的絕對(duì)值造成直接影響，但是無法對(duì)繞組內(nèi)部銅油溫差造成較大的影響。

圖4 連續(xù)沖擊負(fù)荷下繞組熱點(diǎn)溫升曲線圖

3.結(jié)束語

綜上所述，繞組熱點(diǎn)溫升會(huì)受到變壓器的負(fù)荷狀態(tài)的直接影響。穩(wěn)態(tài)時(shí)不同負(fù)荷狀態(tài)對(duì)應(yīng)著特定的繞組熱點(diǎn)溫升；階躍負(fù)荷時(shí)繞組熱點(diǎn)溫升有個(gè)快速變化的過程，當(dāng)變化到一定程度時(shí)，變化趨緩，直至趨于穩(wěn)態(tài)；連續(xù)沖擊負(fù)荷時(shí)繞組熱點(diǎn)溫升不僅受負(fù)荷狀態(tài)影響還受負(fù)荷持續(xù)作用時(shí)間影響。因此，在計(jì)算繞組熱點(diǎn)溫升時(shí)應(yīng)結(jié)合負(fù)荷狀態(tài)、負(fù)荷持續(xù)作用時(shí)間、繞組初始溫度等綜合考慮。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平在逐漸上升，人們希望供電公司能提供更加穩(wěn)定、安全的電能。供電企業(yè)只有對(duì)配電變壓器負(fù)荷狀態(tài)對(duì)繞組熱點(diǎn)溫升影響進(jìn)行全面研究，才能提供更加優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。

＊ ［1］王永強(qiáng)，馬倫，律方成，蔡定國(guó)，等．基于有限差分和有限體積法相結(jié)合的油浸式變壓器三維溫度場(chǎng)計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，2014，40（10）：3179-3185.

＊ ［2］姚育成，蔡定國(guó)．干式變壓器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].變壓器，2012，49（8）：31-33

＊ ［3］蘇小平，陳偉根，胡啟元，蔡定國(guó)，等．基于解析－數(shù)值技術(shù)的變壓器繞組溫度分布計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，2014，40（10）：3164-3170