油浸式變壓器在不同冷卻方式下的性能研究

馬玉龍，王永慶，朱 超，張 勇，徐天光，趙 嘉

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院，西安 710021；2.陜西科技大學機電工程學院，西安 710014）

0 引言

隨著變壓器容量的逐漸加大，涉及變壓器繞組溫升以及局部過熱問題已經(jīng)成為研究者日益關(guān)注的課題之一。尤其是對于變壓器在運行過程中的熱點位置及溫度的確定至關(guān)重要[1-2]。變壓器的冷卻方式主要分為油浸自冷式、油浸風冷式、強迫油循環(huán)風冷式、強迫油循環(huán)水冷式。變壓器在不同的冷卻方式下繞組溫升及熱點分布均不相同。

國內(nèi)外學者對變壓器的繞組、熱點以及整體油流溫度場進行了一系列的研究，且已經(jīng)獲得了一些成就[3-4]，張喜樂[5]通過采用有限元法對換流變壓器在不同的工況條件下，研究變壓器的熱點溫度變化及繞組的損耗，得出變壓器在非正弦工況下繞組的損耗是正弦條件下的2.6倍，且熱點溫度更高，位置更靠繞組上端。朱玉華[6]通過建立二維變壓器模型，采用數(shù)值方法研究干式變壓器在不同負載下的繞組以及鐵芯的溫度場分布規(guī)律，總結(jié)出變壓器的底部散熱效果優(yōu)于頂部，兩端散熱優(yōu)于中部，并且熱點位于變壓器低壓繞組中上部。張萍[7]利用有限元法對一臺油浸變壓器進行繞組溫度場的及熱點溫度的數(shù)值計算，并分析繞組結(jié)構(gòu)對變壓器溫升以及熱點位置及溫度的影響，得出繞組內(nèi)部油流速度越大，換熱效果越好，且內(nèi)外油道的寬度對繞組及熱點的溫度影響較大。江翼[8]通過建立變壓器模型，利用有限元法研究變壓器在不同負載情況下的溫度場，并且研究了變壓器在不同變壓器油情況下的溫度場分布，得出不同的變壓器油在不同的負載情況下，變壓器內(nèi)部溫升特性不同。雖然很多學者已經(jīng)對變壓器進行了內(nèi)部流場及溫度場的研究，但是大部分建立的是二維數(shù)學模型，誤差比較大，而且不能準確表示變壓器內(nèi)部溫度場及熱點溫度。

本文基于有限體積法，通過對大型油浸式變壓器建立流固耦合模型，研究變壓器在自然油和強迫油循環(huán)兩種冷卻方式下變壓器繞組、熱點溫度分布情況，并研究兩種冷卻方式在油流量相同時，比較變壓器繞組、熱點的溫度分布情況。研究結(jié)果可為變壓器的安全運行以及冷卻方式的選用提供實際幫助。

1 物理模型及數(shù)學模型的建立

1.1 物理模型的建立

大型油浸式變壓器由油箱、鐵芯、繞組、油泵、套管、散熱器等組成，結(jié)構(gòu)復雜，因此在建立三維模型時要進行簡化處理，本文的研究對象是保定天威集團生產(chǎn)的SFSZ10-M-31500/110大型油浸式變壓器，具體尺寸參數(shù)如表1、2所示，利用三維軟件建立物理模型，如圖1所示。

圖1 變壓器模型圖

表1 變壓器結(jié)構(gòu)模型基本數(shù)據(jù)

表2 繞組參數(shù)

1.2 數(shù)學模型的建立

分析變壓器流固耦合問題，其流固耦合場滿足Navier Stokes方程組[9]。質(zhì)量微分方程：

式中：u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量；ρ為變壓器油密度；Sx、Sy、Sz為源項；T為變壓器油溫度；?為調(diào)和算子；p為變壓器油壓力；μ為運動黏性系數(shù)；k為導熱系數(shù)；Q為微元生熱量；c為比熱容。

2 材料物理性質(zhì)及邊界條件的設定

在變壓器模型中，繞組材料為銅，鐵芯材料為硅鋼，材料物理特性如表3所示。

在計算油浸式變壓器內(nèi)部流固耦合場時，變壓器邊界情況為固體壁面，與周圍空氣傳熱方式為對流換熱，流固交界壁面為耦合壁面，變壓器的初始溫度為環(huán)境溫度25℃。變壓器繞組、鐵芯損耗設為內(nèi)熱源，通過計算，高壓繞組損耗為116.782 kW/m3，中壓繞組為186.038 kW/m3，低壓繞組為188.064 kW/m3，鐵芯為10.594 kW/m3。因為變壓器油的物理屬性隨著溫度變化，所以在計算時應采用函數(shù)來表示溫度對油物性參數(shù)的影響。

表3 材料物理特性

3 結(jié)果與分析

3.1 自然油循環(huán)溫度場分析

在環(huán)境溫度為25℃，變壓器冷卻方式為自然油循環(huán)冷卻條件下，變壓器內(nèi)部低壓繞組溫度場分布情況如圖2所示，由圖可以看出，變壓器繞組溫度場分布呈階梯狀，底端溫度低，沿縱向向上繞組溫度逐漸升高，在繞組中上端溫度達到最高，且B相繞組的溫度要明顯高于A、C相的溫度。因此，繞組的熱點出現(xiàn)在B相低壓繞組上。

圖2 低壓繞組溫度云圖

圖3所示為內(nèi)部溫度平面圖，由圖可得在同一水平線上，低壓繞組的溫度要高于中壓和高壓繞組溫度，鐵芯上軛溫度高于下軛溫度，繞組最熱點出現(xiàn)在B相低壓繞組中上端。鐵芯最熱點溫度出現(xiàn)在中間芯柱上。

圖3 鐵芯、繞組平面溫度云圖

圖4所示為變壓器內(nèi)部鐵芯溫度場云圖，由圖可知，變壓器鐵芯內(nèi)部溫度場分布與繞組溫度場分布趨勢相同，下端溫度底，上端溫度高，這是因為變壓器油首先被鐵芯、繞組等發(fā)熱元件加熱后，受熱的油由于密度變小向上流動，下端油溫較低，變壓器油在浮力作用下向上流動過程中，油溫逐漸升高，冷卻效果逐漸下降。當變壓器油上升到頂部時，通過散熱器與外界對流換熱，使得油溫下降，在重力作用下向下流動，回到油箱底部，形成一個油流循環(huán)。

圖4 鐵芯溫度場云圖

為了定量分析及準確描述熱點的位置，現(xiàn)取B相各繞組內(nèi)外側(cè)的母線進行分析，由于整個變壓器呈軸對稱，所以選取B相繞組左側(cè)進行分析。如圖5所示，由圖可以直觀看出，繞組溫度都隨著高度的增加而逐漸升高，低壓繞組的溫度最高，中壓次之，高壓最低。繞組內(nèi)外側(cè)同一水平位置處的溫度基本相等。變壓器內(nèi)部熱點處于低壓繞組內(nèi)側(cè)中上端且位置保持不變，溫度為345.85 K。

圖5 繞組內(nèi)外側(cè)溫度曲線圖

3.2 強迫油循環(huán)溫度場分析

在環(huán)境溫度為25℃，變壓器冷卻方式為強迫油循環(huán)，入口油流速為0.6 m/s時，變壓器內(nèi)部低壓繞組溫度場分布云圖及繞組溫度曲線圖如圖6、7所示，由圖可知，相較于自然油循環(huán)冷卻繞組溫度場，變壓器內(nèi)部繞組、鐵芯溫度也隨著升高，繞組、鐵芯整體溫度分布趨勢一致，都是底部溫度低，頂部溫度高，但強迫油循環(huán)變壓器內(nèi)部溫度要低于自然油循環(huán)，達到穩(wěn)態(tài)時，變壓器繞組熱點的溫度為313.56 K，較自然油循環(huán)熱點溫度降低了32.29 K。

圖6 強迫油循環(huán)低壓繞組溫度云圖

強迫油循環(huán)變壓器冷卻效果與油流入口速度有關(guān)，如圖8所示，環(huán)境溫度為25℃，油流入口速度分別選取0.3 m/s、0.6 m/s、0.9 m/s、1.2 m/s，由圖可以看出，低壓繞組溫度隨著油流入口速度的增加而逐漸降低，當速度為0.6 m/s時，繞組溫度達到最低，但當繼續(xù)增加入口速度，繞組溫度又開始上升最后達到一個穩(wěn)定的溫度值。所以當油流速度較低時，變壓器的整體冷卻效果達不到最優(yōu)，油流速度過高時，不僅使得變壓器的溫度升高，而且還使油泵做功增加，經(jīng)濟花費再增加。所以在用強迫油循環(huán)冷卻變壓器時，應尋找一個最佳經(jīng)濟油速。

圖7 強迫油循環(huán)繞組內(nèi)外側(cè)溫度曲線圖

圖8 油流入口速度對強迫油循環(huán)冷卻效果的曲線圖

3.3 自然油循環(huán)與強迫油循對比分析

自然油循環(huán)與強迫油循環(huán)變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，變壓器用油也相同，所以，對于二者穩(wěn)態(tài)時溫度場的分析，應該是變壓器入口體積流量相差不大時，經(jīng)計算，當強迫油循環(huán)流油入口速度為0.46 m/s時，兩種冷卻方式變壓器入口體積流量相差不大。如圖9所示，表示的是環(huán)境溫度為25℃，油流入口速度為0.46 m/s時，自然油循環(huán)和強迫油循環(huán)變壓器內(nèi)部低壓繞組溫度場分布對比圖，由圖可知，強迫油循環(huán)繞組的溫度要明顯低于自然油循環(huán)變壓器繞組的溫度，但溫度場的分布趨勢相同，且熱點的位置相同，都位于低壓繞組中上部，自然油循環(huán)熱點的溫度為345.17 K，強迫油循環(huán)變壓器熱點的溫度為324.59 K，這是因為強迫油循環(huán)內(nèi)部油流場擾動較強，對流換熱激烈，所以從散熱效果來看，在同等條件下，強迫油循環(huán)的冷卻效果要強于自然油循環(huán)變壓器的冷卻效果。

圖9 不同冷卻方式下低壓繞組溫度場云圖

由以上分析可知，當變壓器在同等條件下，強迫油循環(huán)變壓器的冷卻效果要遠強于自然油循環(huán)的冷卻效果，所以當變壓器內(nèi)部繞組、鐵芯溫度較高的情況下，可以選用強迫油循環(huán)冷卻的方法達到降溫的效果，但是因為本文研究的模型變壓器在兩種冷卻方式下，熱點的溫度都沒達到變壓器規(guī)定限值371.15 K，且強迫油循環(huán)由于油泵及其他相關(guān)設備會增加經(jīng)濟費用，所以綜合考慮，使用自然油循環(huán)會更加經(jīng)濟合理。

4 結(jié)束語

本文利用有限體積法，在自然油循環(huán)和強迫油循環(huán)冷卻方式下，對油浸式變壓器內(nèi)部繞組、鐵芯進行溫度場的模擬計算，并分析進口油流速度對強迫油循環(huán)變壓器溫度場的影響，最后對比分析不同冷卻方式在同等條件下的溫度場及熱點情況，可以得出如下結(jié)論。

（1）變壓器在自然油循環(huán)冷卻和強迫油循環(huán)冷卻條件下，變壓器內(nèi)部鐵芯、繞組溫度場分布趨勢相同，強迫油循環(huán)的冷卻效果要強于自然油循環(huán)，且熱點基本處于中間低壓繞組的中上端。

（2）強迫油循環(huán)變壓器在不同的油流入口速度條件下，內(nèi)部溫度隨著速度的增加而降低，達到最優(yōu)速度后，繼續(xù)增大速度將趨于一個穩(wěn)定的溫度值。

（3）變壓器在入口體積流量相同的條件下，強迫油循環(huán)的冷卻效果更優(yōu)，兩種冷卻方式熱點的溫度分別345.17 K和324.59 K，強迫油循環(huán)的熱點溫度更低，但都沒超出規(guī)定限值，所以綜合考慮，使用自然油循環(huán)會更加經(jīng)濟合理。