基于電磁感應(yīng)的變壓器油加熱設(shè)備設(shè)計與研究

張耘溢，劉 博，楊 鑫，劉 焱，胡 錕，張 磊，張佳偉，曾翔君

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750001；2.銀川中節(jié)能聯(lián)合電力有限公司，寧夏 銀川 750001； 3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

大型油浸式變壓器是電力系統(tǒng)極為重要的設(shè)備，變壓器在存放、安裝和運行過程中由于受潮、老化等原因?qū)е陆^緣油的含水量增加，嚴(yán)重影響其壽命和可靠性[1]。因此變壓器在運行和檢修過程中需要對絕緣油進(jìn)行加熱干燥處理。目前，大型油浸式變壓器主要采用濾油機(jī)熱油真空干燥法進(jìn)行加熱和干燥[2]，加熱方式主要有電阻內(nèi)熱式和電阻外熱式[3]兩種。電阻內(nèi)熱式的熱源與變壓器油直接接觸，加熱效率高，但加熱面積小容易導(dǎo)致局部油溫過高；電阻外熱式熱源不與變壓器油直接接觸，不會出現(xiàn)局部過熱的情況，但熱阻高、加熱效率低[4]。針對目前變熱器油加熱過程中存在的問題，本文設(shè)計了一種基于電磁感應(yīng)的變壓器油加熱設(shè)備，該加熱設(shè)備主要由電磁線圈、功率電路、控制電路以及加熱油管組成。功率電路在控制電路的作用下，將工頻380 V交流電變換成高頻交流電，高頻交流電流經(jīng)纏繞在加熱油管表面的電磁線圈產(chǎn)生交變磁場，加熱油管內(nèi)部產(chǎn)生渦流，利用渦流效應(yīng)使鐵質(zhì)管道發(fā)熱，從而實現(xiàn)加熱變壓器油的目的。由于管壁和變壓器油直接接觸，因此熱阻很低，加熱效率高。本設(shè)備在加熱過程中，金屬管壁發(fā)熱而電磁線圈基本不發(fā)熱，設(shè)備可靠性得到大大提高?？刂齐娐穼ψ儔浩饔蜏囟冗M(jìn)行實時監(jiān)測，可有效保證油溫得到準(zhǔn)確控制。

根據(jù)上述分析，本文利用ANSYS MAXWELL電磁場有限元仿真軟件建立了電磁線圈渦流場數(shù)值模型，推導(dǎo)了電磁線圈電感值與匝數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，觀察了加熱油管渦流密度分布狀況；搭建了變壓器油加熱設(shè)備實驗平臺，分析了加熱設(shè)備輸出功率隨工作頻率及溫度的變化關(guān)系。

1 加熱油管模型的建立與分析

1.1 加熱油管的確定

本加熱設(shè)備的功率電路工作在諧振狀態(tài)時，輸出功率達(dá)到最大，利用鐵質(zhì)油管的渦流效應(yīng)達(dá)到加熱變壓器油的目的。諧振電容的電氣參數(shù)已知，本節(jié)主要對加熱油管及纏繞在油管表面的電磁線圈(見圖1)進(jìn)行建模分析。

圖1 加熱油管及電磁線圈示意圖

溫度較低的變壓器油流經(jīng)溫度較高的油管被加熱，對于管內(nèi)換熱來說，在相同的流速和功率下，換熱面積越大，油管壁面溫度越低，由于變壓器油在加熱過程有溫度限制，因此油管的加熱面積應(yīng)大一些。但加熱設(shè)備的空間有限，因此不能通過增大油管直徑的方法來增大加熱面積，而是應(yīng)該選擇小管徑的鋼管作為加熱油管，并通過增加油管長度來增大加熱面積，因此選擇4根長度為1 m、管徑為DN25(外徑34 mm，壁厚3 mm)的鋼管作為本設(shè)備的加熱油管。

本設(shè)備的加熱油管為20#低碳鋼，鐵的低電阻率可以形成較大的感應(yīng)渦流，從而減少功率損失。管道之間采用金屬軟管串聯(lián)連接。加熱區(qū)域為直管道部分，直管道由里到外分別是鐵質(zhì)油管、保溫層以及電磁線圈。

1.2 電磁線圈模型的建立與分析

本設(shè)備將諧振電容和繞線在加熱油管表面的電磁線圈串聯(lián)作為功率電路的等效負(fù)載(以下簡稱等效負(fù)載)，開機(jī)加熱時，功率電路在控制電路的作用下，輸出高頻交流電的頻率與等效負(fù)載的固有諧振頻率相等，使諧振電容和電磁線圈工作在諧振狀態(tài)，加熱設(shè)備輸出功率達(dá)到最大。若要確保諧振電容和電磁線圈工作在諧振狀態(tài)，諧振電容的相關(guān)電氣參數(shù)已知，確定電磁線圈的電氣參數(shù)顯得至關(guān)重要。

本文利用ANSYS MAXWELL建立電磁線圈的渦流場數(shù)值模型。電磁線圈采用2.5 mm2的銅導(dǎo)線繞制而成，每根加熱油管纏繞260匝，4根加熱油管共計纏繞1 040匝線圈。當(dāng)油管過長、線圈匝數(shù)過多時，模型建立困難，ANSYS MAXWELL仿真時間過長，因此本文選取4匝至30匝線圈建立3D仿真模型，加熱油管3D模型如圖2(a)所示，通過局部建模推導(dǎo)出4根加熱油管纏繞1 040匝線圈時的相關(guān)電氣參數(shù)。電磁線圈自感值隨匝數(shù)的變化趨勢如圖2(b)所示。

圖2 電磁線圈模型

由局部建模推導(dǎo)出電磁線圈自感值與匝數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式為

L=0.005 3n2+0.348 8n-0.206 6

根據(jù)上式可知，當(dāng)匝數(shù)n為260匝時，此時單根油管電磁線圈的自感值為448.761 4 μH，四根加熱油管電磁線圈自感值為1 795.045 6 μH，加熱油管安裝距離為14 mm，忽略互感的影響，當(dāng)諧振電容取2 μF時，等效負(fù)載的固有諧振頻率為2.66 kHz。

高頻交流電流經(jīng)纏繞在加熱油管表面的電磁線圈產(chǎn)生交變磁場，加熱油管內(nèi)部產(chǎn)生渦流。激勵源電流頻率設(shè)為2.66 kHz，油管周圍空間磁場分布如圖3所示，油管截面渦流分布如圖4所示，在2.66 kHz電流源的激勵下，油管周圍會感應(yīng)出相應(yīng)的磁場，管壁趨膚效應(yīng)并不明顯，管壁內(nèi)部渦流密度分布均勻，渦流方向相同，渦流效應(yīng)可將流經(jīng)油管內(nèi)部的變壓器油均勻加熱。

圖3 油管周圍空間磁場分布圖

圖4 截面渦流

2 加熱設(shè)備與控制策略研究

根據(jù)上文分析研究，本設(shè)備的加熱油管由4根直管道串聯(lián)組成，每根直管道長1 m，纏繞260匝線圈，4根直管道共計纏繞1 040匝線圈，諧振電容取2 μF，本加熱設(shè)備等效負(fù)載的固有諧振頻率為2.66 kHz。本節(jié)主要討論基于等效負(fù)載設(shè)計研究電磁感應(yīng)變壓器油加熱設(shè)備工作電路及其控制策略。

2.1 加熱設(shè)備工作電路設(shè)計與研究

工作電路為本加熱設(shè)備的核心部分，加熱設(shè)備工作電路如圖5所示，主要包括以下部分：DSP控制器、功率電路、隔離電路、諧振電容、加熱油管、溫度傳感器、保護(hù)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。

圖5 加熱設(shè)備工作電路圖

本加熱設(shè)備的功率電路采用三相橋式不可控整流電路對380 V工頻交流電進(jìn)行整流，采用單相全橋逆變電路將直流變換成高頻交流電。DSP控制器生成的PWM波控制信號經(jīng)隔離電路以后驅(qū)動單相全橋逆變電路工作。將諧振電容和繞繞在加熱油管表面的電磁線圈串聯(lián)作為功率電路的等效負(fù)載，開機(jī)加熱時，功率電路在DSP控制器的作用下，輸出高頻交流電的頻率與等效負(fù)載的固有諧振頻率相等，使諧振電容和電磁線圈工作在諧振狀態(tài)，加熱設(shè)備輸出功率達(dá)到最大。

本加熱設(shè)備采用溫度傳感器實時監(jiān)測溫度。將電壓傳感器并聯(lián)在諧振電容的兩端，將電流傳感器串聯(lián)在等效負(fù)載回路中，將采集到的電壓電流值傳送到DSP控制器中，若電壓電流值超過設(shè)定的上限值，DSP控制器將采取保護(hù)措施，將加熱設(shè)備輸出功率調(diào)為零。DSP控制器通過光纖接收器接收來自上位機(jī)發(fā)送的變壓器油期望溫度值，并將變壓器油實際溫度值、電壓電流值以及當(dāng)前功率值等信號通過光纖發(fā)送器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中以供顯示監(jiān)測。

本加熱設(shè)備具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，根據(jù)工作現(xiàn)場實際需求，可將若干個加熱設(shè)備級聯(lián)使用，以達(dá)到成倍增加輸出功率的目的。

2.2 溫度保護(hù)控制策略研究

本加熱設(shè)備的單相全橋逆變電路的兩個橋臂各產(chǎn)生一路極性相反、相位相差90°、占空比為50%的方波電壓，采用移相方式調(diào)節(jié)加熱設(shè)備的輸出功率。采用K型熱電偶作為加熱設(shè)備的溫度傳感器，將K型熱電偶分別安裝在加熱油管管壁外側(cè)以及油桶內(nèi)部。

溫度保護(hù)控制策略流程如圖6所示，開機(jī)啟動加熱設(shè)備，DSP控制器讀取上位機(jī)設(shè)定的變壓器油期望溫度值tH，然后讀取K型熱電偶傳來的溫度值，并將管壁最高溫度作為實時溫度tL進(jìn)行控制，DSP控制器根據(jù)變壓器油期望溫度值tH和實際溫度值tL的差值Δt，通過PID調(diào)節(jié)確定移相角δ的大小；當(dāng)變壓器油實際溫度值tL和期望溫度值tH相差較大時，移相角δ為零，以最大輸出功率加熱；當(dāng)變壓器油實際溫度值tL不斷逼近期望溫度值tH時，移相角δ逐漸增大，輸出功率隨之減小直至為零。

圖6 溫度保護(hù)控制策略流程圖

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 加熱設(shè)備輸出功率與工作頻率特性分析

為了驗證電磁線圈渦流場數(shù)值模型的準(zhǔn)確性以及測試本加熱設(shè)備的工作性能，本文搭建了變壓器油加熱設(shè)備模擬實驗平臺。

實驗過程中，變壓器油由油泵驅(qū)動循環(huán)，油的流量由流量計進(jìn)行監(jiān)測。加熱設(shè)備輸出功率隨工作頻率變化關(guān)系如圖7所示，當(dāng)輸出側(cè)工作頻率與等效負(fù)載的固有諧振頻率相等，加熱設(shè)備輸出功率達(dá)到最大，本加熱設(shè)備最大輸出功率為7.45 kW。輸出側(cè)工作頻率低于或高于等效負(fù)載的固有諧振頻率時，加熱設(shè)備輸出功率均有所下降，且工作頻率偏離等效負(fù)載的固有諧振頻率越大，輸出功率越小。

圖7 輸出功率隨工作頻率變化關(guān)系

本加熱設(shè)備輸入側(cè)為工頻380 V三相交流電，輸出側(cè)工作波形如圖8所示，為呈諧振狀態(tài)的方波電壓和類正弦波電流。本實驗中諧振電容取2 μF，此時加熱設(shè)備輸出側(cè)電壓電流呈諧振狀態(tài)，且工作頻率為2.5 kHz，諧振頻率與第一章仿真計算得到的等效負(fù)載固有諧振頻率接近。

圖8 加熱設(shè)備輸出側(cè)電壓電流波形圖

3.2 加熱設(shè)備輸出功率與管壁最高溫度特性分析

本加熱設(shè)備最大輸出功率為7.45 kW，油桶內(nèi)的變壓器油從室溫20 ℃開始被加熱。為防油品發(fā)生變質(zhì)，整個加熱過程中管壁最高溫度不超過70 ℃。

加熱設(shè)備輸出功率隨管壁最高溫度變化關(guān)系如圖9所示，當(dāng)管壁最高溫度低于65 ℃時，加熱設(shè)備以最大輸出功率7.45 kW進(jìn)行工作；當(dāng)管壁最高溫度高于65 ℃時，DSP控制器啟動溫度保護(hù)措施，加熱設(shè)備的輸出功率隨溫度的升高而不斷減小，直至為零。

圖9 加熱設(shè)備輸出功率隨油溫變化關(guān)系

3.3 溫度與加熱時間特性分析

本實驗中，共計加熱KI45X型變壓器油100 L，加熱過程中，變壓器油流量設(shè)定為2.5 m3/h，平均1.8 min記錄一次實驗數(shù)據(jù)。

溫度隨加熱時間變化如圖10所示，開機(jī)加熱5 min內(nèi)，管壁最高溫度即可上升至65 ℃附近，此時溫度保護(hù)措施發(fā)生作用，管壁最高溫度最終穩(wěn)定在67 ℃左右；油桶內(nèi)油溫隨加熱時間線性升高，最終穩(wěn)定在62 ℃左右。

實驗過程中，35 min即可將100 L的 KI45X型變壓器油從20 ℃加熱并穩(wěn)定至62 ℃，實驗結(jié)果表明，本加熱設(shè)備油管內(nèi)部換熱特性良好，油管能夠?qū)⒘鹘?jīng)內(nèi)部的變壓器油進(jìn)行可靠加熱，而且能夠準(zhǔn)確控制油溫，不會造成油品變質(zhì)。

4 結(jié) 語

本文建立了電磁線圈的渦流場數(shù)值模型，設(shè)計了加熱設(shè)備工作電路及其溫度保護(hù)控制策略，搭建了變壓器油加熱設(shè)備模擬實驗平臺，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

(1)利用ANSYS MAXWELL局部建模推導(dǎo)出當(dāng)匝數(shù)較多時電磁線圈的數(shù)值模型，諧振電容取2 μF時，構(gòu)成由電磁線圈和諧振電容組成的固有諧振頻率為2.66 kHz的等效負(fù)載。

(2)針對固有諧振頻率為2.66 kHz的等效負(fù)載設(shè)計加熱設(shè)備的工作電路，加熱設(shè)備工作波形為呈諧振狀態(tài)的2.5 kHz方波電壓和類正弦波電流，實驗結(jié)果與建模仿真接近。

(3)加熱設(shè)備最大輸出功率為7.45 kW，溫度保護(hù)控制策略能夠準(zhǔn)確控制變壓器油加熱溫度，35 min即可將100 L的 KI45X型變壓器油從20 ℃加熱并穩(wěn)定至62 ℃，可有效預(yù)防因溫度過高導(dǎo)致變壓器油品變質(zhì)，與現(xiàn)有設(shè)備相比本加熱設(shè)備具有升溫速度快、加熱效果均勻和溫度控制準(zhǔn)確等優(yōu)點。