8000kVA超大容量感應(yīng)調(diào)壓器空載運(yùn)行油溫超溫的原因分析研究

梁小云

摘要：油溫是表征油浸式感應(yīng)調(diào)壓器散熱效果和絕緣性能的重要指標(biāo)，本文就某實(shí)驗(yàn)室油浸式感應(yīng)調(diào)壓器在空載運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)油溫超溫問題進(jìn)行了分析，一方面，由于鐵芯硅鋼片片間絕緣損壞，造成表面短路使得渦流損耗急劇增加;另一方面，變壓器油流速較慢，因熱對(duì)流產(chǎn)生的散熱效果較差，散熱片的油循環(huán)速率較緩。通過分析并基于matlab仿真證實(shí)了損耗和散熱是引起油溫超溫的主要原因。

關(guān)鍵詞： 感應(yīng)調(diào)壓器;油溫超標(biāo);渦流損耗;熱對(duì)流。

0引言

油浸式感應(yīng)調(diào)壓器油箱中的變壓器油起著絕緣、降溫和滅弧作用，而油浸式感應(yīng)調(diào)壓器一般都采用A類絕緣，這就要求感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)頂層油溫不得超過85℃，否則會(huì)加速其絕緣老化速度，嚴(yán)重降低絕緣壽命[1]，從而帶來安全隱患。為此，在感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂層油溫并設(shè)置超溫預(yù)警，一旦其在負(fù)載運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)超溫預(yù)警，能確保及時(shí)退出運(yùn)行。

某電源系統(tǒng)中的8000kVA超大容量感應(yīng)調(diào)壓器型號(hào)為TYSA-8000/10.5，在空載工況下運(yùn)行20min就觸發(fā)頂層油溫超溫預(yù)警（70℃），其超溫時(shí)感應(yīng)調(diào)壓器自身溫度曲線如圖1所示。

1感應(yīng)調(diào)壓器的電氣原理及傳熱過程分析

1.1感應(yīng)調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，感應(yīng)調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)可分為主體、冷卻油箱及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分。其中，主體部分在結(jié)構(gòu)上類似于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，只是其定、轉(zhuǎn)子繞組除了磁場(chǎng)的耦合外，還有電的聯(lián)系。鐵芯的主要構(gòu)件硅鋼片采用沖片疊壓工藝，為降低電磁噪聲，機(jī)身采用整體鑄鐵結(jié)構(gòu);冷卻油箱在結(jié)構(gòu)上與一般電力變壓器的基本相仿，周圍的散熱片是最主要的散熱結(jié)構(gòu)，變壓器油可通過散熱片實(shí)現(xiàn)循環(huán)自冷;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)和電動(dòng)兩用的蝸輪、蝸桿、傳動(dòng)電機(jī)和減速器裝置，其作用是卡住轉(zhuǎn)子，使其只能在0°～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 感應(yīng)調(diào)壓器的調(diào)壓原理

TM10感應(yīng)調(diào)壓器在能量轉(zhuǎn)換關(guān)系方面類似于異步電動(dòng)機(jī)與變壓器的組合體[2]，其電氣原理圖如圖3中的（a）圖所示，由于三相繞組結(jié)構(gòu)對(duì)稱，為便于分析，下面以A 相為例進(jìn)行具體闡述。如（b）圖所示，定、轉(zhuǎn)子繞組采用降耦星形連接，其中一次串聯(lián)繞組W1c和一、二次公共繞組Wg置于定子上，二次串聯(lián)繞組W2c置于轉(zhuǎn)子上。正常工作時(shí)，當(dāng)W1c和Wg接入一次電壓U1（10kV）后，將在定、轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速切割繞組W2c，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2c，此時(shí)借助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)角位移（最大為180°電角度），從而改變E2c與Ug之間的電角度θ，使負(fù)載電壓實(shí)現(xiàn)300V～10.5kV的無(wú)級(jí)、平滑調(diào)節(jié)。

依圖（c），空載輸出電壓U20計(jì)算公式為：

1.3 感應(yīng)調(diào)壓器熱源分析

感應(yīng)調(diào)壓器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的有功損耗以熱能的形式發(fā)出導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高，而感應(yīng)調(diào)壓器的內(nèi)部熱源主要為鐵芯和繞組，其產(chǎn)生的損耗分別為鐵耗和銅耗，故本文主要研究鐵芯和繞組這兩大熱源來分析該感應(yīng)調(diào)壓器產(chǎn)熱情況。

1.3.1 鐵芯熱源

感應(yīng)調(diào)壓器鐵芯產(chǎn)生的損耗統(tǒng)稱為鐵耗（P0），主要由磁滯損耗（Pc）和渦流損耗（Pw）兩部分組成[1]。其中，磁滯損耗是由于鐵芯在反復(fù)磁化的過程中因磁滯現(xiàn)象而消耗的能量，計(jì)算公式如式3所示：

渦流損耗是由于抵抗磁通的變化，所產(chǎn)生感應(yīng)電流消耗的能量[1]，計(jì)算公式如式4所示：

由公式3、4可知，鐵心熱源的產(chǎn)熱情況與硅鋼片的材質(zhì)和加工工藝等息息相關(guān)，硅鋼片的優(yōu)劣直接決定了運(yùn)行時(shí)鐵芯發(fā)熱量的高低。

1.3.2 繞組熱源

感應(yīng)調(diào)壓器銅耗是由于電流流過感應(yīng)調(diào)壓器繞組時(shí)因繞組發(fā)熱而產(chǎn)生的損耗，計(jì)算公式如5、6所示：

由式5可知，繞組熱源的產(chǎn)熱情況相對(duì)固定，在環(huán)溫和負(fù)載一定的情況下只與繞阻阻值的大小有關(guān)。

1.4 感應(yīng)調(diào)壓器傳熱過程分析

感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)，熱源開始產(chǎn)熱，感應(yīng)感應(yīng)調(diào)壓器本體迅速升溫，熱能以傳導(dǎo)的方式釋放到油箱中，熱源附近的變壓器油因局部溫度升高而使其密度變小，此時(shí)由于油箱中溫度分布不均，變壓器油因密度差異開始流動(dòng)，密度小的不斷上升，從而頂層油溫持續(xù)升高。此時(shí)，油箱內(nèi)部一方面以熱對(duì)流的形式交換熱量，一方面通過散熱片進(jìn)行循環(huán)散熱，將熱量傳導(dǎo)到外界空氣中。這樣，經(jīng)過一段時(shí)間后，油箱內(nèi)部將達(dá)到熱平衡，油溫僅在小范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見，油浸自冷感應(yīng)感應(yīng)調(diào)壓器的熱傳遞過程主要涉及到三種傳熱方式，分別是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。相比之下，感應(yīng)調(diào)壓器中的熱對(duì)流對(duì)油溫的影響最大，所以本文從熱對(duì)流過程入手分析。

依圖4（a）圖所示，大致反映了油箱內(nèi)相對(duì)位置與油溫的關(guān)系[1]。圖中，A為油箱頂層油溫，C為油箱底層油溫，B為油箱內(nèi)平均油溫，可見，在感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)頂層油溫最高，因此要時(shí)刻監(jiān)視頂層油溫，只要確保頂層油溫不超過限值，油溫便不會(huì)超溫。（b）圖則大致反映了油溫變化過程，首先油溫會(huì)快速升高，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高溫度，然后上升速率會(huì)趨于平緩，最后則達(dá)到熱平衡，油溫基本維持不變。

2感應(yīng)調(diào)壓器在空載運(yùn)行條件下的損耗分析

2.1.1 空載損耗分析

理論上，由于空載電流較小，在一次繞組中產(chǎn)生的電阻損耗可忽略不計(jì)，所以空載輸入功率可認(rèn)為基本上是供給鐵芯損耗的。通過測(cè)量，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)調(diào)壓器的空載電流為46A，而空載損耗為61kW。鐵耗產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的方式在使鐵芯升溫的同時(shí)大部分釋放到了油箱中，使油溫升高。根據(jù)公式7，可以計(jì)算出空載運(yùn)行時(shí)在未達(dá)到熱平衡之前，每小時(shí)油溫升高的度數(shù)。

即在未達(dá)到熱平衡時(shí)的快速升溫階段，假如不考慮散熱，空載運(yùn)行1h油溫將上升26.7℃，實(shí)際上，根據(jù)圖1中的（b）圖可知，油溫1h只上升了22℃，說明空載運(yùn)行時(shí)在未達(dá)到熱平衡時(shí)的快速升溫階段，通過內(nèi)部熱對(duì)流及散熱片散熱每小時(shí)僅降低油溫4.7℃。

2.1.3 Matlab仿真分析

根據(jù)感應(yīng)調(diào)壓器測(cè)量得到的繞組參數(shù)值（一、二次繞組阻值均為0.02Ω，0.30H），利用Matlab中的Simulink仿真平臺(tái)搭建模塊進(jìn)行仿真。同時(shí)，為了便于仿真分析，假設(shè)定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相同，且相對(duì)電角度為180°，此時(shí)公共繞組與二次繞組同軸，空載輸出電壓最大。圖6～圖9為仿真電路及波形數(shù)據(jù)。

仿真結(jié)果分析：通過仿真，可知TM10空載運(yùn)行時(shí)空載電流為42A，空載損耗為60.851kW。這與測(cè)量值基本相同，說明TM10仿真模型與實(shí)際大致相符。

4 結(jié)論

本文通過研究8000kVA/10kV感應(yīng)調(diào)壓器的空載油溫超標(biāo)問題，得出結(jié)論：大容量感應(yīng)調(diào)壓器空載油溫超溫是由空載損耗過大引起的，而空載損耗往往是由鐵耗決定的;對(duì)于油浸自冷感應(yīng)調(diào)壓器，負(fù)載運(yùn)行時(shí)油的流速慢，熱對(duì)流及散熱片循環(huán)冷卻產(chǎn)生的散熱不好。是空載損耗溫度超溫的主要原因。

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