全密封變壓器波紋油箱有效散熱面的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

葛臣

摘 要 現(xiàn)階段，我國(guó)大部分地區(qū)采用的依然是油侵式變壓器，但是以往應(yīng)用的是帶儲(chǔ)油柜的油箱。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，不帶儲(chǔ)油柜的全密封結(jié)構(gòu)變壓器的出現(xiàn)，可以很好地保障變壓器的壽命。本文針對(duì)全密封變壓器波紋油箱有效散熱面優(yōu)化設(shè)計(jì)需要遵循的基本原則進(jìn)行了探究與分析，并提出了優(yōu)化全密封變壓器波紋油箱有效散熱面的策略，希望有助于變壓器設(shè)計(jì)水平的提高。

關(guān)鍵詞 全密封 變壓器 波紋油箱 散熱面

中圖分類號(hào)：TM4;TQ6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）12-0001-02

全密封變壓器主要包括兩種結(jié)構(gòu)，一種為全充油式密封變壓器，另一種為帶氣墊全密封變壓器。兩者相對(duì)比，全充油式密封變壓器外形相對(duì)更為美觀，加工更為方便，并且波紋油箱壁具有較高的伸縮彈性，符合變壓器體積變化的需求。因此，該結(jié)構(gòu)形式的變壓器應(yīng)用得更為廣泛，但是部分設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，并未準(zhǔn)確地計(jì)算全密封變壓器波紋油箱散熱面積，阻礙了全密封變壓器的大范圍推廣，由此我們要進(jìn)一步優(yōu)化變熱器散熱面設(shè)計(jì)。

1 全密封變壓器的基本原理

變壓器波紋油箱的波紋板通常是由1到1.5毫米質(zhì)量較高的薄鋼板經(jīng)過(guò)壓力沖擊而形成的，薄板的四周為波紋筋，兩側(cè)為散熱面。受油收縮負(fù)壓或者油的膨脹正壓的影響，具有一定彈性的平面將向筋內(nèi)凹進(jìn)或者向筋外凸出，這些波紋筋的容積也會(huì)隨之減少或者增加，以此應(yīng)對(duì)油的體積變化。因?yàn)楸′摪迤矫娌还苁峭钩鲞€是凹進(jìn)都是被動(dòng)形成的，所以油箱內(nèi)腔一直處于滿油的狀態(tài)，全密封變壓器波紋油箱需要符合的要求主要包括以下兩點(diǎn)：

第一，波紋筋可以彈性地應(yīng)對(duì)因?yàn)橛畜w積變化而產(chǎn)生的最大膨脹或者收縮量;

第二，在變壓器正常的使用壽命期間，波紋油箱必須可以承受得住不斷地被動(dòng)凸出或者凹進(jìn)，保證油箱不會(huì)出現(xiàn)變形和滲漏的問(wèn)題。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果波紋油箱可以在20年內(nèi)承受得住每天一次的凸出或者凹進(jìn)變化，也就是總共可以承受7300次的膨脹與收縮，便能夠滿足變壓器的使用壽命要求。

2 優(yōu)化全密封變壓器波紋油箱有效散熱面的策略

2.1 全密封變壓器波紋油箱有效散熱面優(yōu)化設(shè)計(jì)需要遵循的基本原則

全密封變壓器波紋油箱有效散熱總面積為：變壓器空載消耗和變壓器負(fù)載消耗的和除以散熱系數(shù)。設(shè)計(jì)波紋油箱有效散熱面積時(shí)需要遵循的基本原則包括以下兩個(gè)方面：一方面，波紋油箱有效散熱面的設(shè)計(jì)需要符合全密封變壓器的散熱需求[1];另一方面，在設(shè)計(jì)波紋油箱有效散熱面時(shí)，應(yīng)該盡可能地先分析長(zhǎng)邊方向需要添加的波紋片。如果在長(zhǎng)邊方向添加了最大個(gè)數(shù)的波紋片，但是依然未達(dá)到全密封變壓器的要求，那么就需要在長(zhǎng)邊方向和寬邊方向一同添加波紋片，以此更好地滿足變壓器的要求。在這一過(guò)程中，需要結(jié)合長(zhǎng)邊方向和寬邊方向不同個(gè)數(shù)和波高波紋片的選取來(lái)獲得不同的散熱面積，以此保證設(shè)計(jì)出的全密封變壓器波紋油箱的有效散熱面不低于最小散熱面，同時(shí)還需要符合波紋油箱的溫升需求。

2.2 根據(jù)波紋板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律優(yōu)化有效散熱面設(shè)計(jì)

全密封變壓器在正常運(yùn)行的過(guò)程中，油平均溫度和油體積呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系，并且油平均溫度的變化情況充分體現(xiàn)著油箱波紋筋兩側(cè)的凸出和凹進(jìn)的運(yùn)動(dòng)情況。油平均溫度的描述方式主要包括環(huán)境溫度和油的平均溫升，而每天環(huán)境溫度在自然條件下發(fā)生變化的規(guī)律與正弦曲線類

似[2]，并且油每天的平均溫升也可以以每天為一周期通過(guò)正弦曲線來(lái)表示。如果環(huán)境溫度變化的正弦曲線和油日平均溫升的正弦曲線恰好同步疊加，那么油日平均溫升的波動(dòng)幅度也就最大，而年度油平均溫升變化的規(guī)律則近似雙重正弦曲線。在這樣的情況下，波紋板的運(yùn)動(dòng)破壞性最大，所以在優(yōu)化全密封變壓器波紋油箱時(shí)，一定要準(zhǔn)確地計(jì)算波紋板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。按照國(guó)際規(guī)定，全密封變壓器所處環(huán)境的最高溫度不可以超過(guò)40攝氏度，年平均溫度不可以超過(guò)20攝氏度，最低氣溫不可以低于零下25攝氏度，當(dāng)然這一規(guī)定適用的是戶外使用的全密封變壓器。油的平均溫升通常情況下不超過(guò)40開(kāi)爾文，那么油的平均溫度則不可以超過(guò)平均溫升加上40卡爾文，最低溫度依然是不可以低于零下45攝氏度。我國(guó)大多數(shù)地區(qū)每天的環(huán)境溫度差不會(huì)超過(guò)10開(kāi)爾文。

2.3 注重優(yōu)化波紋油箱的設(shè)計(jì)

通過(guò)人工的方式計(jì)算全密封變壓器波紋油箱有效散熱面積時(shí)十分的復(fù)雜，并且在整個(gè)計(jì)算的過(guò)程中存在很多重復(fù)性勞動(dòng)，這對(duì)波紋油箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)和全面推廣顯然是一種較大的阻礙。由于其中存在的各種弊端，所以在優(yōu)化波紋油箱設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該加強(qiáng)C++語(yǔ)言的運(yùn)用，這樣不單單可以很好地彌補(bǔ)人工計(jì)算中存在的諸多不足之處，同時(shí)還可以減少設(shè)計(jì)波紋油箱的時(shí)間，并且保證波紋油箱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，有助于波紋油箱的廣泛應(yīng)用和全面推廣[3]。波紋片的設(shè)計(jì)是波紋油箱設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此在優(yōu)化波紋油箱設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要注重規(guī)范波紋片的設(shè)計(jì)流程：第一，準(zhǔn)確計(jì)算波紋片的參數(shù);第二，合理選擇波紋片的設(shè)計(jì)方案，其中包括只有長(zhǎng)方向分布的波紋片和長(zhǎng)方向?qū)挿较螂p方向分布的波紋片;第三，合理選擇長(zhǎng)方向的波紋片個(gè)數(shù);第四，合理選擇短方向的波紋片個(gè)數(shù);第五，準(zhǔn)確計(jì)算波紋片的波高;第六，將所有的計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)。其中波紋片設(shè)計(jì)方案的選擇，通常由長(zhǎng)邊方向和寬邊方向波紋片的個(gè)數(shù)形成的散熱面是否可以很好地滿足全密封變壓器的散熱需求所決定。在利用C++進(jìn)行波紋油箱設(shè)計(jì)時(shí)，可以在C++界面將相關(guān)參數(shù)輸入其中，再單擊“計(jì)算”這一按鈕，這時(shí)計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算，隨后單擊“顯示結(jié)果”，這時(shí)界面上就會(huì)顯示出相關(guān)的波高、片寬、長(zhǎng)邊方向波紋片個(gè)數(shù)、寬邊方向波紋片個(gè)數(shù)和有效散熱面積，設(shè)計(jì)者便可以根據(jù)水要求自行選取這些數(shù)據(jù)信息。

2.4 保證全密封變壓器波紋油箱的緊固性

普通變壓器的油箱沿通常都是依靠螺栓聯(lián)接緊固的，而全密封變壓器波紋油箱沿不存在聯(lián)接孔，所以不能夠像普通變壓器一樣利用螺栓聯(lián)接緊固。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)全密封變壓器波紋油箱沿結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過(guò)緊固下上節(jié)油箱沿的方式，利用C型卡具的安裝提高油箱的緊固性[4]。在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)油箱沿的厚度合理地選擇C型卡具的開(kāi)口尺寸，并且還需要嚴(yán)格地校核C型卡具的強(qiáng)度，確保其自身的強(qiáng)度可以滿足緊固油箱沿的需求。除此之外，還需要合理地選擇油箱沿密封件。一般情況下，設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化波紋油箱有效散熱面積時(shí)，會(huì)選擇使用膠排密封件。以此保證C型卡具的緊固性和尺寸均符合波紋油箱的緊固性要求，所以可以選擇使用具有較細(xì)直徑的耐油膠棒。

2.5 保證波紋油箱的真空強(qiáng)度

在優(yōu)化設(shè)計(jì)全密封變壓器波紋油箱有效散熱面的過(guò)程中，必須保證波紋油箱的真空強(qiáng)度。這就需要在緊固油箱沿以及精準(zhǔn)地定位變壓器位置后，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步檢測(cè)油箱的真空強(qiáng)度，上節(jié)油箱沿的受力需要朝向油箱內(nèi)腔，所以上節(jié)油箱沿需要朝著內(nèi)腔的方向變化形狀，但是用于緊固的螺栓通常會(huì)局限油箱沿形狀的變化，這時(shí)就需要在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)螺栓實(shí)施剪切力，以此保證油箱沿的變形。全封閉變壓器波紋油箱不存在有緊固螺栓，其只能夠通過(guò)調(diào)節(jié)上節(jié)和下節(jié)油箱沿之間的摩擦力來(lái)控制油箱沿變形的方向[5]。在真空的作用下，上節(jié)油箱沿的密封墊會(huì)在壓縮過(guò)程中發(fā)生形狀變化，這時(shí)C型卡具的緊固力便會(huì)有所降低，上節(jié)油箱和下節(jié)油箱沿之間產(chǎn)生的摩擦力也會(huì)有所降低。如果不及時(shí)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制，很容易導(dǎo)致上下節(jié)油箱出現(xiàn)移位的情況。在大氣壓的作用下，上節(jié)油箱沿一般會(huì)突然朝著油箱內(nèi)腔的方向發(fā)生形狀變化，從而損害油箱，無(wú)從談及波紋油箱有效散熱面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)全密封變壓器波紋油箱有效散熱面時(shí)，一定要保證油箱的真空強(qiáng)度，避免因?yàn)檎婵諒?qiáng)度過(guò)大而導(dǎo)致油箱沿的形狀發(fā)生變化。因此，設(shè)計(jì)人員可以選擇在下節(jié)油箱內(nèi)腔內(nèi)安裝定位擋板，在高低壓側(cè)各安裝三到五件擋板，順著短軸的方向安裝一件擋板，以此防止油箱沿向著油箱內(nèi)腔發(fā)生形狀變化。為了避免在試驗(yàn)的過(guò)程中造成油箱沿形狀變化，可以在油箱沿的外側(cè)焊接一個(gè)固定板，外部固定板的安裝需要對(duì)應(yīng)內(nèi)部擋板，并使用螺栓固定，以此避免外部出現(xiàn)油箱移位的情況，從而保證波紋油箱煙的有限散熱面。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于全密封變壓器波紋油箱來(lái)說(shuō)，有效散熱面的設(shè)計(jì)直接影響著全密封變壓器性能的充分發(fā)揮和使用壽命。因此，為了保障全密封變壓器的性能和使命壽命，設(shè)計(jì)人員一定要優(yōu)化有效散熱器面積。在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員一定要認(rèn)識(shí)到人工計(jì)算存在的弊端，并加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)手段的運(yùn)用，以此保證油箱散熱面的有效性。

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