煤礦供電干式變壓器的結構優(yōu)化

白玉靜

（山西潞安配售電有限公司， 山西 襄垣 046204）

引言

煤礦供電系統(tǒng)為綜采工作面大型機電設備的動力源，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接決定綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性。干式變壓器作為供電系統(tǒng)的關鍵設備，其主要任務是實現(xiàn)供電線路中的升壓或降壓等，并對工作面的電力進行合理、綜合分配。但是，再實際應用中矸石變壓器由于內(nèi)部故障和過載運行導致其設備內(nèi)部溫度升高，從而導致其絕緣層被破壞進而影響其降壓、升壓功能無法正常使用，最終影響綜采工作面的生產(chǎn)[1]。因此，需對干式變壓器內(nèi)部結構進行優(yōu)化分析達到提升其換熱效果的目的。

1 干式變壓器的組成與散熱原理

干式變壓器的主要結構組成包括有鐵芯、繞組、風機系統(tǒng)和保護箱殼等組成。其對應實物如圖1 所示。

圖1 干式變壓器實物圖

一般的，干式變壓器的鐵芯采用硅鋼片疊裝而成，并采用聚酯帶對其鐵芯進行穩(wěn)定和固定；繞組為變壓器的關鍵部件，其分為高壓繞組和低壓繞組，其中高壓繞組為以扁銅線所繞制而成的層狀，而低壓繞組為圓筒式結構。風機系統(tǒng)為干式變壓器的散熱部件。保護箱殼主要保護使用人員不與對應高壓繞組相接觸，保證用戶及作業(yè)人員使用的安全性。

在實際應用中，除了依靠風機系統(tǒng)對其設備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量進行散熱外，還在繞組與繞組之間與繞組與鐵芯之間設計相應的氣道，增加干式變壓器的散熱效率[2]。其對應的散熱過程如圖2 所示。

圖2 干式變壓器散熱過程

如圖2 所示，低壓繞組和高壓繞組之間，鐵芯和低壓繞組之間的氣道通過強制對流手段進行散熱；高壓繞組的散熱屬于自然對流散熱；鐵芯柱的散熱屬于輻射散熱。但是，在實際應用中僅僅依靠風機系統(tǒng)和各個部件之間所設計的氣道還無法解決干式變壓器所產(chǎn)生的熱量進行充分散去的問題，導致干式變壓器由于設備內(nèi)部過高而導致其絕緣層被破壞，從而影響設備的正常、安全運行。

2 干式變壓器的結構分析與優(yōu)化

在實際應用中，除了常用的普通干式變壓器外，還有一部分干式變壓器帶有附屬一定的撐條結構，帶有撐條結構的干式變壓器的剖面結構如下頁圖3 所示。

如下頁圖3 所示，帶撐條結構干式變壓器低壓繞組共包括有三層（M、N、P），高壓繞組共包括有兩層（X、Y）。其中，每段低壓繞組的高度為0.83 m，共有1 段低壓繞組；每段高壓繞組的高度為0.19 m，共有4 段高壓繞組。本文所研究干式變壓器的額定容量為2 500 kVA，空載損耗為3 900 W，額定負載損耗為25 790 W。目前，該干式變壓器內(nèi)部撐條數(shù)量共有4 根，但是其對應的散熱效果仍不能夠?qū)⑵鋬?nèi)部所產(chǎn)生的熱量充分散去，因此通過對干式變壓器內(nèi)部撐條結構的數(shù)量、各個撐條之間的寬度、氣道之間的距離以及撐條長度對設備的散熱效果進行對比分析[3]，對其內(nèi)部撐條的數(shù)量、結構等參數(shù)進行優(yōu)化設計。

圖3 帶撐條結構的干式變壓器剖面圖

2.1 撐條數(shù)量

本文對干式變壓器內(nèi)部撐條數(shù)量n 分別為2根、3 根、4 根、5 根以及 6 根對應溫度場進分析，對應不同撐條數(shù)量繞組側溫度分布如圖4 所示。

圖4 不同撐條數(shù)量對應繞組溫度場分布

如4 所示，不同撐條數(shù)量對繞組溫度場分布變化趨勢一致，即沿著繞組的軸向方向其溫度緩慢增加；而且，隨著撐條數(shù)量的增加對應繞組的最高溫度均在增加。導致上述現(xiàn)象的主要原因為，隨著撐條數(shù)量的增加對應氣道換熱面積降低，從而導致變壓器繞組熱點溫度上升。

此外，隨著撐條結構的增加使得變壓器內(nèi)部起到內(nèi)氣體流動阻力增大，從而導致變壓器熱點位置更加靠近變壓器內(nèi)部。因此，應采取較少的撐條數(shù)量優(yōu)化變壓器內(nèi)部的溫度場分布，并將熱點分布遠離變壓器內(nèi)部[4]。綜合分析，將干式變壓器內(nèi)部撐條數(shù)量控制在4 根。

2.2 撐條長度

本文對干式變壓器內(nèi)部撐條長度L 分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m 對應散熱器內(nèi)部的散熱效果進行分析。此外，對應變壓器內(nèi)部氣道之間的距離為0.014 m，所選用撐條的寬度為0.006 m，撐條數(shù)量為4 根。不同撐條長度對應設備散熱效果如圖5 所示。

圖5 不同撐條長度對應設備散熱效果對比

如圖5 所示，不同撐條長度對應干式變壓器繞組軸向溫度場分布變化趨勢一致，均是沿著繞組的軸向方向，變壓器繞組溫度緩慢增加；且隨著撐條長度的增加對應的繞組的最高溫度均在增加，具體增加數(shù)值為由70.24 ℃增加至71.90 ℃，增加幅度較小。即說明，撐條長度對干式變壓器內(nèi)部溫度場分布情況影響不明顯。也就說，對撐條長度進行優(yōu)化對干式變壓器散熱效果改善不明顯。但是，經(jīng)驗表明，撐條長度越長有利于后期對干式變壓器的結構進行合理分配并優(yōu)化設計。因此，綜合分析最終確定干式變壓器內(nèi)部撐條長度為0.8 m。

2.3 撐條寬度

本文對干式變壓器內(nèi)部撐條寬度a 分別為0.004 m、0.005 m、0.006 m、0.007 m、0.008 m、0.009 m以及0.010 m 時對應散熱器內(nèi)部的散熱效果進行分析。此外，對應變壓器內(nèi)部氣道之間的距離為0.014 m，所選用撐條的長度為0.8 m，撐條數(shù)量為4 根。不同撐條寬度對應設備散熱效果如下頁圖6 所示。

如下頁圖6 所示，不同撐條寬度對應干式變壓器繞組軸向溫度場分布變化趨勢一致，均是沿著繞組的軸向方向，變壓器繞組溫度緩慢增加；且隨著撐條寬度的增加對應的繞組的最高溫度均在增加，具體增加數(shù)值為由71.51 ℃增加至73.85 ℃。而且，隨著干式變壓器撐條寬度的增加對應設備內(nèi)部溫度場約靠近變壓器內(nèi)部，從而不利于熱量的散去[5]。但是，綜合考慮撐條寬度越小對應變壓器的穩(wěn)定性較差。因此，最終將撐條寬度設計為0.007 m。

圖6 不同撐條寬度對應設備散熱效果對比

3 結語

干式變壓器為供電系統(tǒng)的關鍵設備，在實際應用中由于散熱效果不佳導致設備內(nèi)部熱量集中從而導致設備絕緣層被破壞，進而影響設備的可靠性和穩(wěn)定性。本文以干式變壓器為研究對象，對其撐條結構的長度、寬度以及數(shù)量對設備的散熱效果進行對比分析，并最終得出撐條結構的最佳參數(shù)如下：撐條數(shù)量為4 根，撐條寬度為0.007 m，撐條長度為0.8 m。