220kV油浸式變壓器過負(fù)荷下溫度場計算分析

楊曉輝，趙俊，張建英，徐大鵬

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

變壓器運(yùn)行時繞組溫升是影響變壓器性能的重要指標(biāo)之一。經(jīng)計算分析和監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，大量變壓器運(yùn)行故障和事故是由繞組熱點(diǎn)溫升問題引起的。變壓器繞組熱點(diǎn)是變壓器運(yùn)行時繞組溫度的最高點(diǎn)，熱點(diǎn)溫度過高，絕緣老化加快，縮短變壓器壽命；熱點(diǎn)溫度過低，則變壓器的能力沒有得到充分利用，影響經(jīng)濟(jì)效益。電力變壓器運(yùn)行時負(fù)荷不是恒定的，會隨著用電需求發(fā)生改變，也可能出現(xiàn)過載等情況。因此，準(zhǔn)確計算出過負(fù)荷下變壓器繞組溫度場對設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。

1 仿真計算及分析

本文所研究的SFP 11-440000/220的變壓器的為三相強(qiáng)迫油循環(huán)電力變壓器，額定容量為440MVA，額定電壓220kV，高壓側(cè)242kV，低壓側(cè)額定電壓20kV，調(diào)壓檔位+2×2.5%，本文所研究的變壓器的初始溫度20℃。

變壓器低壓線圈內(nèi)外徑φ1226/φ1385，內(nèi)外徑側(cè)油道分別為：8mm，9mm；高壓線圈內(nèi)外徑φ1603/φ1925，內(nèi)外徑側(cè)油道分別為：9mm，12mm；對于線圈內(nèi)部，主要損耗為電阻損耗和渦流損耗，為了損耗的準(zhǔn)確計算，每個線圈均按照導(dǎo)線具體尺寸詳細(xì)建模，低壓線圈線規(guī)：網(wǎng)包換位導(dǎo)線1.6×6.2/54.1×13.35/59，匝絕緣0.4mm，四根并繞；高壓線圈線規(guī)：紙包換位導(dǎo)線1.25×5.2/27.05×12.08/35，匝絕緣1.05mm。根據(jù)其漏磁場分布，準(zhǔn)確計算損耗分布，為散熱條件及溫度場計算提供數(shù)據(jù)支撐。對高低壓線圈每一匝換位線均進(jìn)行獨(dú)立建模，基于其旋轉(zhuǎn)直徑不同，其電阻值也不同，損耗不同、而發(fā)熱量也就不同。所以進(jìn)行精細(xì)建模至每一匝線圈，每個餅間油道也基于實(shí)際產(chǎn)品建立，充分考慮每個油道、油流導(dǎo)向隔板對于油流散熱錯產(chǎn)生的影響。進(jìn)而導(dǎo)致線圈溫升所產(chǎn)生的變化。

對于線圈內(nèi)部，考慮熱傳導(dǎo)和熱對流（熱對流相對較小，工程計算忽略。對于結(jié)構(gòu)件，考慮熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)；對于變壓器油箱，相對空氣面僅考慮熱輻射，油側(cè)考慮熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)。對于工程計算，熱輻射相對于熱傳導(dǎo)和熱對流相比作用很弱，忽略計算。采用變壓器繞組溫升計算軟件（TF2.0版）對變壓器各繞組熱點(diǎn)溫升進(jìn)行計算，從而實(shí)現(xiàn)對具有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、強(qiáng)油循環(huán)大型變壓器繞組熱點(diǎn)溫度和位置的預(yù)測，該軟件專門用于變壓器繞組溫度場分析，已在變壓器設(shè)計中進(jìn)行應(yīng)用，并得到了試驗數(shù)據(jù)的充分驗證。

對變壓器線圈及鐵心心結(jié)構(gòu)件、油箱屏蔽、油箱本體進(jìn)行1:1建模，考慮漏磁場對變壓器屏蔽，油箱的影響。而后在充分考慮結(jié)構(gòu)件發(fā)熱、散熱的情況下對其進(jìn)行模型的簡化。高低壓線圈分別用導(dǎo)向隔板分隔為8個分區(qū)，冷油從下端進(jìn)入線圈后依次向上，流經(jīng)每個分區(qū)后流出線圈，進(jìn)入冷卻器，油流通暢，無死油區(qū)，各分區(qū)均散熱良好。

圖1 變壓器過負(fù)荷時繞組溫升情況

假定高低壓側(cè)對稱運(yùn)行，三相平衡運(yùn)行。計算變壓器運(yùn)行在110%，120%，繞組熱點(diǎn)溫度140℃時的溫度場，及溫度達(dá)到140℃時的連續(xù)運(yùn)行時間。根據(jù)油流計算，低壓線圈內(nèi)徑側(cè)軸向油流速約0.14m/s,外徑側(cè)軸向流速約0.12m/s,線圈內(nèi)部徑向（橫向）流速約0.08m/s;高壓線圈軸內(nèi)徑側(cè)軸向油流速約0.18m/s,外徑側(cè)軸向流速約0.13m/s,線圈內(nèi)部徑向（橫向）流速約0.1m/s。

1.1 110%負(fù)荷情況下，備用冷卻器投入使用，溫升狀態(tài)

表1 110%負(fù)荷狀態(tài)下溫升

從上表可以看出，油頂層溫升，最低為36K，高壓繞組熱點(diǎn)溫升最高為56.6K，已經(jīng)接近于限值，各個溫升都有不同程度的提高，可是還是沒有超過限值，可見在110%負(fù)荷的情況下變壓器的溫升明顯，對變壓器的運(yùn)行會造成較嚴(yán)重的問題。 因此，雖然備用冷卻器投入，但高壓繞組平均溫升已超限值，高壓繞組熱點(diǎn)溫升十分接近上限，不建議長期運(yùn)行，但連續(xù)投入時間無限制。

1.2 120%負(fù)荷情況下，備用冷卻器投入使用，連續(xù)運(yùn)行2h后，溫升狀態(tài)

雖然備用冷卻器投入，由于過負(fù)載比例較大，時間較長，所有溫升均超過限值，繞組最熱點(diǎn)接近140℃，此時繞組絕緣應(yīng)有輕微熱損傷，繞組溫度計應(yīng)已經(jīng)根據(jù)信號全停跳閘，后續(xù)載時間及溫度無意義，不再進(jìn)行計算。

過負(fù)荷30%約15min，過負(fù)荷50%約4min，計算結(jié)果與過負(fù)荷20%約110min基本相同，不再列出。

2 結(jié)語

通過對變壓器的繞組進(jìn)行溫度場的仿真分析，可知結(jié)構(gòu)件的溫升小于繞組的溫升，對動態(tài)負(fù)載情況下，繞組的溫升隨著負(fù)荷的變大而變大，可是在額定負(fù)載之前都在穩(wěn)定溫升范圍內(nèi)，能夠長時間安全運(yùn)行。

在110%負(fù)荷的情況下會出現(xiàn)高壓繞組超過溫升限值的情況，因此雖然備用冷卻器投入，但高壓繞組平均溫升已超限值，高壓繞組熱點(diǎn)溫升十分接近上限，不建議長期運(yùn)行，但連續(xù)投入時間無限制。

在超過120%負(fù)荷的情況下，可以看出所有溫升均超過限值，繞組最熱點(diǎn)接近140℃，此時繞組絕緣應(yīng)有輕微熱損傷，不允許變壓器運(yùn)行。