油浸式電力變壓器內部溫度場及其繞組熱點的數值計算研究

王從龍，曾 祺

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引 言

在經濟社會快速發展的過程中，電網企業的發展與革新發揮了十分重要的作用。油浸式電力變壓器憑借自身具有較大容量、較好散熱性能以及較低能耗等優勢，被廣泛應用在電網建設中，作為電網系統中的重要設備，其運行狀態是否具有可靠性與電網整體的安全穩定有直接關系。

油浸式電力變壓器運行過程中繞組溫度的最高點稱為繞組熱點溫度，熱點溫度過高會影響變壓器設備的使用壽命，同時會造成額外的電力損耗，進而影響企業的經營效益。通過有限體積法分析油浸式電力變壓器內部溫度場及繞組熱點，并探討變壓器在不同環境溫度下運行工況變化時的熱點溫度，間接體現了變壓器壽命延長方式與負載能力的內在聯系，同時為油浸式電力變壓器的熱點研究和變壓器設備日常運行維護提供了有價值的參考意見。

1 油浸式電力變壓器傳熱方式

熱對流、熱傳導以及熱輻射是油浸式電力變壓器內部主要的熱量傳遞方式，變壓器內部溫度升高在油流系統中形成熱虹吸效應，熱量主要是在油流流動中以熱對流的形式，借助于油流之間的溫度差進行傳遞，進而通過熱傳導的方式將熱量傳至油箱的內壁和外壁，最后熱量通過熱輻射的方式散發到變壓器周圍環境中[1,2]。

熱對流形式為：

式中，S1為對流換熱過程中熱量傳遞時所覆蓋的表面積；ε為對流換熱系數；T1和T2為熱對流過程中的散熱面和流體的實際溫度。

熱傳導形式為：

式中，Φ2為單位時間內通過截面的熱量；S2為截面的面積；h為熱傳導系數；θ1和θ1為熱傳導過程中傳遞介質的表面溫度；L為熱傳導過程中的有效距離。

熱輻射形式為：

式中，Φ3為兩表面之間的輻射散發熱量；S3為發生熱輻射的實際有效表面積；t1和t2為輻射散熱過程中兩種介質的溫度；γ為輻射介質的黑度；L0為黑體的輻射系數。

2 油浸式電力變壓器內部溫度場的有限體積法分析

2.1 油浸式電力變壓器結構模型

鑒于油浸式電力變壓器結構比較特殊，內部結構較為復雜，主要由套管、油箱、鐵芯以及繞組等零件組成，如圖1所示，在進行模型構建設計時需要進行簡化[1]。在此以XX集團所生產的型號為SZ11-63000/110（110/10.5 kV）的油浸自冷式變壓器作為主要研究對象，其相關數據如表1所示。

表1 油浸式電力變壓器結構模型數據

2.2 變壓器內部損耗分析

變壓器能量的損耗多部分是由磁阻和電阻造成的，其中鋼結構、繞組以及鐵芯部分的損耗占據主要原因。變壓器總損耗可表示如下：

式中，Pt表示變壓器總損耗量的千瓦數；PNL表示空載損耗的千瓦數；PLL表示為負載損耗的千瓦數，其計算如下：

變壓器負載損耗主要由直流損耗和雜散損耗兩部分組成，其中雜散損耗為渦流和其他結構的損耗之和，Pde=I2Rde為繞組電阻發熱產生的損耗千瓦數，渦流損耗千瓦數則用PEC表示，其他附件和變壓器的損耗用POSL表示。空載損耗表示如下：

式中，P1和P2分別表示空載損耗中的鐵芯磁滯損耗和渦流損耗；ζH表示磁滯損耗的系數；f和ζC表示電流頻率系數和渦流損耗系數；Bm為磁通密度的最大值。

2.3 基于有限體積分析法的變壓器模型

有限體積分析法依據變壓器內部由熱源向外不同的傳熱方式，同時分析能量、動量以及質量守恒定律的共同作用，對流體流動及溫度場進行分析計算，也可稱為控制體積法。該方法可以有效解決多場相互耦合問題，具體的計算方式是將計算區域分解成若干個微小單元，每個微小單元可分別解成溫度和速度兩個不同的變量。求解耦合的速度場和溫度場如下：

在變壓器內部熱量傳遞過程中出現了相互耦合問題，滿足于Navier Stokes方程。質量微分方程為：

式中，x、y、z分別為V、N、W的速度分量；J為變壓器密度；θ表示變壓器的油溫度；Sx、Sy、Sz則分別表示源項；P為變壓器壓力；K為該設備的導熱系數；K?2為調和算子；c為變壓器的比熱容；Q為微元生熱量；μ為運動黏性系數。

3 網格無關性檢測及實例分析

3.1 網格無關性檢測

網格準確性是通過在額定負載的情況下選取網格數量進行無關性檢測來驗證的，驗證曲線如圖2所示。圖2中顯示的網格數在3 000 000～4 000 000的某一點時，其鐵芯溫度及繞組處于平穩狀態。為了使繞組和鐵芯的計算更加準確，選用4 000 000～5 000 000的網格數量進行模擬最為合適。

3.2 實例分析

以實際110 kV油浸自冷式變壓器運行監測數據為依據進行深入分析，其主要目的是為了驗證計算模型的精確性和準確性。通過油浸式變壓器三維溫度場計算對繞組熱點溫度實施數據監測，并將監測數據與模擬數據進行比較，如圖3所示。根據模擬及實驗數據在不同環境溫度下各項繞組熱點和溫度的相差數據可以看出，其各部分參數的平均誤差在2.4%左右。該熱點研究充分表明了其模擬效果為油浸式電力變壓器今后的研發提供了有價值的參考意見[3]。

3.3 結果與分析

油浸式電力變壓器周圍環境與其運行狀況存在密切聯系，變壓器的內部溫度場的分布和繞組熱點溫度會受環境因素的影響。當環境溫度為27 ℃時，正常負載情況下的變壓器繞組溫度呈現出階梯狀分布，頂部溫度高，底部溫度低，當變壓器內部溫度處于同一水平線時，其低壓繞組的溫度均高于高壓及中壓，此時繞組最熱點則出現在低壓繞組上部，為324 K。當環境溫度保持一致，變壓器負載率達到130%時，變壓器的繞組熱點溫度達365 K，與平時正常負載情況下相比，超出了41 K，同時變壓器內部溫度與繞組溫度的分布趨勢相同，頂部溫度高出底部溫度。

當環境度溫度為33 ℃時，變壓器正常負載運行時，雖然各內部零件溫度都在安全溫度內，但設備整體溫度偏高。通過設計實驗驗證變壓器負載工況下的繞組損耗和內部溫度場及繞組熱點的關系。隨著負載率的增加，熱點溫度急劇上升，變壓器負載率達到130%時，變壓器的繞組熱點溫度達386 K，導致熱點溫度急劇上升的主要原因是變壓器運行時所產生的熱量無法及時散出[4,5]。在這種溫度環境下運行，過高的內部溫度及熱點溫度會加速變壓器的絕緣老化，縮短其正常運行年限。

4 結 論

基于有限體積分析法模擬計算110 kV油浸式電力變壓器內部溫度場和繞組熱點，并分析其在不同環境溫度和不同運行工況時的熱點溫度及其位置，得出以下結論。一是油浸式電力變壓器在正常負載工況運行時，環境溫度的變化會對變壓器本身的散熱產生影響，進而影響變壓器內部平均溫度和繞組熱點溫度的數值。二是變壓器在額定工況運行時，隨著變壓器周圍環境溫度的升高，變壓器的內部平均溫度及繞組溫度也會隨之升高，但其內熱點溫度不會超過限定值。若變壓器處于過載工況運行時，此時周圍環境溫度的升高會降低變壓器本身的散熱效率，進而導致熱點溫度達到甚至超過規定限值，變壓器在這種環境下長時間運行會使得絕緣受到破壞，進而使得變壓器出現故障或者縮短其使用壽命。三是油浸式電力變壓器在不同工況下運行時，其內部溫度場和繞組熱點溫度具有相似的分布趨勢，內部溫度會隨著負載的增大而逐漸升高，繞組熱點溫度亦是如此。為了避免變壓器在實際運行中因溫度大幅度變化而對設備本身產生損害，需要通過實時監測獲得繞組熱點溫度的數值，并采取適當的散熱方式，以避免變壓器繞組熱點溫度超過變壓器正常運行的溫度標準限值對變壓器造成損害。