基于ANSYS CFX的變壓器繞組溫度場監測研究*

姚 鑫， 張長勝， 李英娜， 趙振剛， 段朝磊， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

0 引 言

在電力系統的正常工作運行中，電力變壓器占有著很重要的地位[1～4]。從現有的統計可以發現，國內外每年都會出現一定數量的變壓器事故，事故嚴重影響了居民的日常生活以及國民經濟的健康發展。其從1998 年2月到2001年10月間整個電力系統中35 kV變壓器到750 kV變壓器的故障以及事故總數達到了689次，其中，繞組的故障比例為17 %[5]，因此有效地對繞組溫度進行監測可以一定程度上避免由變壓器故障引起的經濟財產損失。近年來，國內外眾多學者對繞組溫度監測做了大量研究[6～16]。石碧薇分析了諧波情況下的繞組損耗以及遲滯損耗，通過對損耗的分析得出所產生的熱量，即利用有限元分析法對變壓器內部的熱量進行仿真分析,得出繞組的最熱點在繞組上方大約1/4的位置處[17]。文獻[18]對變壓器的繞組的溫升影響因素進行了研究，通過110 kV油浸式變壓器的模型，利用ANSYS軟件對變壓器的熱流場進行分析，得出了繞組中油道的大小以及散熱面的面積均會影響繞組的最熱點溫度的高低。

本文將利用Maxwell電磁仿真軟件計算變壓器在穩定滿載運行過程中各部分損耗情況，將得出的損耗數據轉換為發熱載荷輸入ANSYS CFX中對該35 kV油浸式變壓器熱油的流動分布情況進行研究。從60，120 min兩個時間段對繞組的溫度分布進行仿真分析，找出最熱點分布以及相應的溫度值，并對實際測得數據進行比較。

1 變壓器繞組發熱與傳導原理

繞組在變壓器內部的作用主要是產生磁通量以及感應電動勢，是變壓器內部電流的載體。繞組分為高壓繞組和低壓繞組2部分，接入到高壓電網的部分稱為高壓繞組，接入到低壓電網的部分稱為低壓繞組。由于變壓器內部的油具有流動性，繞組溫度受其影響。

熱分析滿足能量守恒定律，即一個非開放系統有

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

(1)

式中Q為熱量；W為做功；ΔU為系統內能；ΔKE為系統動能；ΔPE為系統勢能。

熱傳導滿足以下定律

(2)

式中qn為熱流密度；k為導熱系數；“-”為熱量溫降方向。

熱對流包含自然對流和強制對流。滿足

qn=h(TS-TB)

(3)

式中h為對流換熱系數；TS為固體表面的溫度;TB為固體附近流體的溫度。

繞組和變壓器油以及鐵芯和變壓器油之間均存在一定的溫度差，則鐵芯以及繞組的表面與變壓器油進行熱傳遞。

2 35 kV油浸式變壓器繞組模型建立

35 kV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，額定容量為12 500 kVA，高壓為35 kV，低壓為5.3 kV。繞組連接方式采用的是YNd11,如圖1所示。連接組別中“Y”為高壓側為星形接線；“d” 為低壓側為三角形接線；“N”為一次帶中線；“11”為一次的UAB的向量指向時鐘的12點,而二次的Uab的向量指向時鐘的11點鐘方向,即變壓器低壓側的線電壓Uab滯后高壓側線電壓UAB330°(或超前30°)。高壓線電壓35 kV正弦電壓，低壓線電壓5.3 kV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。

圖1 變壓器繞組YNd11接線

使用ANSYS Workbench進行幾何建模，針對變壓器繞組的模型進行建模繪制工作，在繪制過程中將模型對稱于XZ平面與YZ平面，如圖2所示。

圖2 變壓器繞組模型仿真

3 分 析

為分析高低壓繞組內部最熱點分布情況，對高低壓繞組進行了剖切，通過高低壓繞組的分布云圖，確定變壓器的熱點分布。在仿真中，分別選取了60,120 min兩個時間段分析繞組鐵芯的溫度分布情況,如圖3。

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三相的高低壓繞組均進行了仿真。結果如變壓器工作60 min時，可以看出：低壓繞組熱點位于C相繞組的右側外表面中部位置，其最熱點溫度值為319.6 K。變壓器工作120 min時，可以看出：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348.5 K。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。

圖3 60 min和120 min時低壓繞組溫度分布云圖

分別對高壓繞組的整體模型以及切面模型進行仿真。如圖4所示。變壓器工作60 min時，可以看出：A相高壓繞組的內表面溫度最高，最熱點溫度值為311.8 K。從其切面圖可以看出：A相高壓繞組的熱點集中在左側。因此，60 min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。變壓器工作120 min時，可以看出， B與C相高壓繞組均具有最熱點的分布，其中，B相高壓繞組的左右側以及內外表面均具有最熱點分布，且分布于中部的位置；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337.5 K。

圖4 60 min和120 min時高壓繞組溫度分布云圖

為了測試光纖光柵傳感器的測溫性能，運用光纖光柵傳感器測溫。為獲得變壓器內部組件的溫度分布，尤其是準確獲取繞組熱點溫度，在35 kV變壓器樣機繞組布置了4只耦合器，共34支光纖光柵傳感器。本文在繞組中埋置傳感器時有兩種方式，即段間埋設和匝間埋設，其中繞組中在3#稱條中2～55段間埋設了8只傳感器，7#稱條埋設了6只傳感器，并且在5#～6#撐條間第7段匝間埋設1只傳感器，在6#～7#撐條間第9段匝間埋設1只傳感器。

為確保光纖光柵傳感器在變壓器制造過程中不被損壞并具有良好的測溫性能，進行如下設計：1)在線圈繞制階段中預埋光纖光柵傳感器的聚四氟乙烯薄片，聚四氟乙烯鉆孔面均處于內徑側，以避免光纖受到較大拉力，甚至引起光柵損壞；2)保證聚四氟乙烯鉆孔的尺寸能夠滿足光纖在槽中的伸縮裕度，以避免產生光纖的彎曲損耗；3)所開孔位于電磁線寬面中央，避開線餅間邊角最大的場強畸變區域；4)所開小槽面積占電磁線截面面積的4.5 %，電磁線截面積減小引起載流能力和機械強度略微降低，可通過適當增大該電磁線截面尺寸進行彌補。

實驗分60，120 min兩個時間段進行數據監測，并對數據進行后期整理，繞組在光纖傳感器的實時監控下第一次被采集的數據如圖5。

圖5 60 min和120 min低壓繞組高壓繞組溫度曲線

由圖5可知：60 min變壓器低壓繞組最熱點位于C相繞組，為46.6 ℃，高壓繞組最熱點溫度位于A相繞組，為38.8 ℃；120 min變壓器低壓繞組最熱點位于B相繞組，為75.5 ℃，高壓繞組最熱點溫度位于C相繞組，為65.4 ℃；變壓器繞組中部溫度整體較上部和下部高，且隨著變壓器工作時間延長，變壓器整體溫度升高；變壓器整體低壓繞組溫度較高壓繞組溫度高。實際測得溫度數據和仿真數據相仿，該實驗成立。

4 結 論

1)變壓器工作室時間為120 min時，為變壓器最熱點溫度時刻，低壓繞組最熱點位于B相繞組，為75.5 ℃，高壓繞組最熱點溫度位于C相繞組，為65.4 ℃；

2)變壓器繞組中部溫度整體較上部和下部高，且隨著變壓器工作時間延長，變壓器整體溫度升高；

3)變壓器整體低壓繞組溫度較高壓繞組溫度高。

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