諧波下干式變壓器瞬態溫度場分析

尤飄飄 顧勝堅,2 王春吉

（ 1、上海電力大學電子與信息工程學院，上海201306 2、杭州錢江電氣集團，浙江 杭州311243）

變壓器是傳輸電能的重要設備之一， 其運行狀況影響著整個電力系統的穩定性與可靠性。 我國是世界上干式變壓器產銷量最大的國家，并且隨著環氧澆注干式變壓器的各項優點日益凸顯， 干式變壓器的應用也日益廣泛。 隨著各種工業自動化設備的生產企業數量增多，半導體、紡織等精密設備的加工成產，諧波帶來的經濟效益損失問題日益凸顯。 諧波可大大增加變壓器的附加損耗，產生額外溫升，加快變壓器絕緣樹脂老化，而干式變壓器內部熱性能表現是關系其穩定運行的主要限制因素[1-3]。 隨著有限差分思想的提出以及有限元軟件的開發，人們對物體內部溫度場數值計算也越來越準確，對變壓器內部發熱和傳熱機理掌握的也越來越深刻。 因此，本文基于Icepak 熱仿真軟件研究諧波下變壓器熱性能表現，可為變壓器健康狀態的監測與設計提供參考，切實保障電網運行的可靠性具有理論研究和現實意義。

1 干式變壓器溫度場熱源

變壓器運行時產生的損耗轉化為熱量，使其溫度升高，熱量以傳導、對流和輻射的方式向周圍擴散，當發熱和散熱達到平衡時，各部分溫度將趨于穩定，則變壓器運行時產生的損耗即為溫度場仿真的熱載荷值。 一般情況下， 電網的諧波電壓滿足公用電網諧波電壓標準，畸變率小，在研究諧波損耗時忽略諧波電壓對空載損耗的影響。 諧波電流會使變壓器產生附加有功損耗，包括鐵芯雜散損耗POSL、繞組電阻損耗P2IR和渦流損耗PEC。在IEC 61378-2 方法的基礎上， 通過測量工頻下的負載損耗P1、繞組中的渦流損耗PEC.1和鐵芯的雜散損耗POSL.1，各次諧波損耗。

式中：I1為工頻電流有效值；THDh為第h 次諧波電流畸變率；Ih為第h 次諧波電流的有效值；fh為第h 次諧波頻率；Rh為第h 次諧波下變壓器繞組的等效電阻；PEC.1通常取額定狀態下負載損耗的13%；POSL.1通常取額定狀態下負載損耗的7%。

2 干式變壓器熱仿真數值模擬

干式變壓器散熱過程的熱量傳遞包括：熱傳導、熱對流和熱輻射，并且大多采用自然換流的模式。Icepak 求解過程調用的是Fluent 求解器，計算過程中滿足三大定律，即質量守恒定律（ 式4）、動量守恒定律（ 式5、6、7 為x、y、z 方向的動量守恒方程）和能量守恒定律（ 式8）[3-6]。在Icepak 瞬態溫度場仿真時，還需設置溫度監控點以及殘差收斂標準， 經求解可得到變壓器瞬態情況的溫度分布云圖以及各部分溫度隨時間變化曲線圖。

其中：u、v、w 分別是x、y、z 散熱方向的速度分量，m/s；ρ 為流體密度，kg/m3；E 為流體總能量，J/kg；SU、SV、SW為廣義熱源，Sh為體熱源；t 為時間，S；h 為流體比焓，J/kg；k 為熱傳導系數。

3 仿真分析

干式變壓器三維仿真模型包括高、低壓繞組及鐵芯。低壓繞組由銅箔繞制，高壓繞組采用分段銅線繞制，共分為5 分段。諧波畸變率分別設為10%，30%，50%，70%，具體參數見表1 所示。環境溫度設為20℃，總仿真時間為22000s，設置將B 相軸向中點設置成為監控點，求解精度R 達到10-3級別計算才為收斂，經過Icepak 迭代收斂計算，得到監控點殘差曲線圖見圖1，22000s 時不同諧波畸變率下變壓器整體溫度分布云圖見圖2。

由圖1，可知當迭代步數為250 時，殘差曲線收斂；由圖2 ，B 相繞組溫度明顯高于其他兩相。為研究高、低壓繞組沿軸向高度與所含諧波畸變率的關聯性，分別取高、低壓繞組軸向從下往上的225 個等距離點作為路徑，對應溫度變化曲線如圖3、4所示。由圖可知，高壓繞組與低壓繞組的溫度都沿軸向逐漸增加。特殊地，高壓繞組溫度曲線由四個等距離下尖峰分成5 段，這主要由于高壓繞組采用5 分段方式繞制；當畸變率增大后，繞組的熱源值增大、溫升增高，而空氣導熱系數較低，所以分段繞組的溫度與空氣的溫度差會增大，尖峰值也趨于增大。

4 結論

本文利用Icepak 熱仿真軟件研究了諧波下干式變壓器瞬態溫度場表現，發現熱點溫度隨諧波畸變率的升高而提高，并且當干式變壓器高壓繞組采用5 分段時，畸變率增大后，分段繞組的溫度與空氣的溫度差會增大，尖峰值也趨于增大，因此容易使絕緣部分受熱不均，加速絕緣材料的老化。

表1 不同畸變率下各次諧波電流畸變率數據

圖1 監控點瞬態溫度計算殘差曲線

圖2 不同工況下變壓器溫度分布云圖

圖3 不同工況下B 相高壓繞組軸向溫度曲線圖

圖4 不同工況下B 相低壓繞組軸向溫度曲線圖