任小波

摘要：油浸式變壓器穩(wěn)定滿載運(yùn)行過(guò)程中，鐵芯、繞組會(huì)產(chǎn)生大量熱量，故對(duì)其使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，有必要對(duì)油浸式變壓器的鐵芯、繞組溫度場(chǎng)的熱點(diǎn)分布情況進(jìn)行研究。本文通過(guò)計(jì)算得到在滿載運(yùn)行過(guò)程中的各部分損耗產(chǎn)熱，將其損耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為發(fā)熱載荷輸入ANSYS CFX中對(duì)該35kV油浸式變壓器進(jìn)行溫升分析，得到該油浸式變壓器的溫升分布情況。仿真結(jié)果表明，在滿載運(yùn)行過(guò)程中，120min內(nèi)，溫升由高到低依次是：低壓繞組，高壓繞組，鐵芯。從而為油浸式變壓器的安全傳輸以及分配提供可靠的依據(jù)。

Abstract： In the full loading process of oil-immersed transformers， iron core， winding will generate a lot of heat， so it has a serious impact on their life. Therefore， it is necessary to study the hot distribution of the temperature field of iron and winding. In this article， we can know hot distribution of each part via calculation when transformers are in full loading operating process and convert the loss of data to heat loading and then enter it to ANSYS CFX for the analysis of the rising temperature of the 35kV oil-immersed transformers. At last， we learn the temperature distribution. From the result of the simulation， at the full loading operation and within 120min， the temperature descending order shows： low-voltage winding， high-voltage winding， core. So as to it can provide a reliable basis for the secure transmission and oil-immersed distribution transformers.

關(guān)鍵詞：油浸式變壓器；溫度場(chǎng)；鐵芯；繞組；熱點(diǎn)

Key words： oil-immersed transformers；temperature field；core；winding；hot spot

中圖分類號(hào)：TM411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0094-05

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要元件，但變壓器運(yùn)行過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生大量熱量。溫度過(guò)高是造成油浸式變壓器故障的主要因素，一般而言，變壓器內(nèi)部各部分的溫度不同，低壓繞組溫度最高，其次為高壓繞組，再其次是鐵芯。變壓器繞組的溫度分布是不均勻的，如果繞組產(chǎn)生局部過(guò)熱，將直接影響變壓器的壽命與安全運(yùn)行，同時(shí)，鐵芯溫度過(guò)高也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的安全隱患。因此變壓器的繞組、鐵芯熱點(diǎn)溫度研究受到許多學(xué)者關(guān)注。為了更深入研究油浸式變壓器的溫度分布情況，就需要在研究分析油流的基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)部器件的溫度分布情況進(jìn)行研究。目前，對(duì)油浸式變壓器的溫度研究主要集中在公式的計(jì)算以及簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，因此難以分析出變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確分布情況。杜莉，王秀春對(duì)油浸式變壓器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，以100kV三相油浸式變壓器為實(shí)例，建立油箱模型，使用FLUENT 軟件對(duì)油箱的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得出繞組、鐵芯之間的溫差明顯，找出了繞組的熱點(diǎn)位置[1]；方海彬?qū)τ徒阶儔浩鞯挠土饕约袄@組的溫度進(jìn)行了研究，使用有限元分析法對(duì)油流場(chǎng)以及繞組的溫度變化情況進(jìn)行分析，通過(guò)分析不同擋油板以及油流速，得出了增加繞組中的油道以及加快油流速可以有效降低繞組的最熱點(diǎn)溫度[2]。隨著科技的發(fā)展以及各類仿真軟件的應(yīng)用，油浸式變壓器熱點(diǎn)分布研究要求將會(huì)變得越來(lái)越高。因此，如何有效的研究變壓器的溫度分布情況將會(huì)得到很多專家學(xué)者的重視。

本文對(duì)35kV油浸式變壓器進(jìn)行建模分析，具體以35kV油浸式變壓器（型號(hào)為S13-12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器）為模型，對(duì)其熱量損耗進(jìn)行計(jì)算，然后分析熱點(diǎn)分布情況。

1 35kV油浸式變壓器熱流場(chǎng)模型的建立

1.1 35kV油浸式變壓器的熱量傳遞過(guò)程

油浸式變壓器在正常工作時(shí)，內(nèi)部存在損耗，由于繞組、鐵芯的導(dǎo)熱性較好，所以變壓器繞組及鐵芯的溫度升高很快。隨著繞組鐵芯的溫度快速升高，它們內(nèi)部的熱量會(huì)傳遞到外表面，又因?yàn)槔@組和鐵芯處在溫度不高的變壓器油里面，溫度高的鐵芯以及繞組會(huì)由于溫差的存在，將自身的熱量傳遞給變壓器油。當(dāng)變壓器工作一段時(shí)間后，其內(nèi)部的油循環(huán)就處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)繞組以及鐵芯的溫度不會(huì)再像剛開始那樣急劇升高，繞組及鐵芯內(nèi)部的熱量會(huì)隨著變壓器油的流動(dòng)而散出。這個(gè)時(shí)候，油浸式變壓器內(nèi)部就形成了一種產(chǎn)熱與散熱的熱平衡狀態(tài)[3-4]。變壓器內(nèi)部熱量流動(dòng)路徑如圖1。

1.2 35kV油浸式變壓器部件計(jì)算模型

為達(dá)到變壓器內(nèi)部實(shí)際溫度分布情況，對(duì)變壓器熱流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，考慮流體以及固體兩方面。對(duì)此進(jìn)行固體區(qū)域、流固交界區(qū)域的計(jì)算。

固體區(qū)域，把鐵芯、繞組的內(nèi)部看作介質(zhì)連續(xù)，滿足T=T（x，y，z，t），T表示溫度，x，y，z分別表示物體溫度的幾何空間坐標(biāo)，t表示時(shí)間。導(dǎo)熱的基本定律為：q==-λn[5]，式中q表示熱流密度，φ表示傳導(dǎo)熱流量，A表示與傳熱方向垂直的橫截面積，λ表示導(dǎo)熱系數(shù)。

固液交界面上，固體和液體的熱耦合是靠對(duì)流換熱進(jìn)行的，對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式一般采用牛頓冷卻公式。在變壓器的鐵心和繞組與油流之間滿足q=h（tw-tf），tf表示流體溫度，tw表示壁面溫度，h表示表面對(duì)流換熱系數(shù)，h的大小與流體的性質(zhì)以及換熱表面的形狀、大小與布置，而且還與流速有密切的關(guān)系。

1.3 35kV油浸式變壓器的熱損分析

變壓器運(yùn)行過(guò)程中，線圈中的交流電會(huì)產(chǎn)生基本銅損?；俱~損計(jì)算表達(dá)式為：P=3Ir1+3Ir2[6]，I表示原邊繞組的相電流，I表示副邊繞組的相電流，r1表示原邊繞組的總電阻，r2表示副邊繞組的總電阻。

鐵芯中勵(lì)磁電流會(huì)產(chǎn)生交變磁通，在交變條件下鐵磁材料產(chǎn)生鐵損。鐵損在工程計(jì)算中，通常是根據(jù)變壓器選用的桂鋼片型號(hào)和最大磁通密度Bm來(lái)計(jì)算，首先通過(guò)查閱娃鋼片型號(hào)的鐵損曲線得到單位重量的鐵損值，再與變壓器鐵心的重量的乘積就是基本鐵損。計(jì)算式表述為：P0=K0GFePc，Pc=P1/50（F/50）βB，式中P0表示基本鐵損，K0表示鐵心損耗的工藝系數(shù)，GFe表示鐵心的重量，Pc表示單位重量鐵耗，P1/50鐵耗系數(shù)，β頻率指數(shù)。

在變壓器內(nèi)部油流溫度的數(shù)值計(jì)算中，對(duì)鐵心和高低壓繞組等產(chǎn)熱損耗結(jié)構(gòu)件施加旳是單位體積熱源g，其表達(dá)式為：q=p/v[7]，式中v表示熱源的體積，p表示熱源的產(chǎn)熱功率。

2 35kV油浸式變壓器部件參數(shù)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

35kV油浸式變壓器的型號(hào)為S13-12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器。S13-12500/35型油浸式電力變壓器與S11型相比，空載損耗下降25%，空載電流下降35%，年運(yùn)行成本下降10.5%。該變壓器的額定容量為12500kVA，高壓為35kV，低壓為5.3kV。實(shí)際功率為額定容量乘以額定功率因數(shù)，常規(guī)情況下負(fù)載為感性負(fù)載，功率因數(shù)為0.9至0.95之間。

2.2 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

鐵芯材料采用高導(dǎo)磁低損耗優(yōu)質(zhì)硅鋼片，結(jié)構(gòu)為拉螺桿夾持剛性框架結(jié)構(gòu)。繞組采用優(yōu)質(zhì)無(wú)氧銅導(dǎo)線。鐵芯的材料是鋼板30Q120（30mm厚冷軋取向電工鋼板），鐵柱的直徑為44cm，三鐵柱中心距為78cm，鐵柱與低壓繞組的間距是1.4cm，與高低壓繞組的間距是2cm，鐵芯的高度為72cm。

高壓繞組材料為紫銅，高壓繞組一共有432匝，每匝的截面積為56.33mm2，電阻為0.333歐姆，額定電流為149.96A，額定安匝數(shù)64782.72安匝。

低壓繞組材料為紫銅，低壓繞組一共有114匝，每匝的截面積為15.51mm2，電阻為0.024歐姆，額定電流為529.1A，額定安匝數(shù)60317.4安匝。

該35kV油浸式變壓器的繞組連接方式采用的是YNd11。在變壓器的聯(lián)接組別中“Y”指高壓側(cè)為星形接線，“d”指低壓側(cè)為三角形接線，“N”指一次帶中線，“11”指一次的UAB的向量指向時(shí)鐘的12°而二次的Uab的向量指向時(shí)鐘的11°。即變壓器低壓側(cè)的線電壓Uab滯后高壓側(cè)線電壓UAB330度（或超前30度）。高壓線電壓35kV正弦電壓，低壓線電壓5.3kV正弦電壓，電壓變比為6.6：1，高低壓同相繞組電壓相位差為11點(diǎn)鐘方向。如圖2。

3 35kV油浸式變壓器部件仿真

滿載運(yùn)行過(guò)程中，計(jì)算得到各部分損耗產(chǎn)熱，將其損耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為發(fā)熱載荷輸入ANSYS CFX中對(duì)該35kV油浸式變壓器進(jìn)行溫升分析。

3.1 仿真模型的繪制

利用ANSYS Workbench，針對(duì)變壓器鐵芯、繞組進(jìn)行建模，在對(duì)鐵芯、繞組進(jìn)行繪制時(shí)，繪制過(guò)程中將模型對(duì)稱XZ平面與YZ平面，為了方便后續(xù)建立剖切面，在這里將鐵芯和繞組近似的繪制成多邊形結(jié)構(gòu)，此處我們選擇前后左右均對(duì)稱的12邊形作為繞組和鐵芯的剖切面進(jìn)行繪制。采用厘米作為長(zhǎng)度單位。鐵芯、繞組的繪制如圖3。

仿真基本假設(shè)：①油箱環(huán)境溫度恒定不變，設(shè)置為25℃；②損耗熱量載荷在繞組中均勻分布；③近似認(rèn)為結(jié)構(gòu)件材料均勻[8]。

3.2 變壓器整體的溫度分布仿真

本次仿真分析的仿真時(shí)間設(shè)定為30min、60min以及120min。

對(duì)變壓器整體的溫度場(chǎng)分布以及最熱點(diǎn)分布進(jìn)行研究。在變壓器工作一段時(shí)間后，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及油箱的溫度進(jìn)行仿真，得到圖4、圖5、圖6。

對(duì)比變壓器工作30min、60min、120min時(shí)變壓器整體的溫度分布云圖可以看出：隨著工作時(shí)間的增加，變壓器的內(nèi)部各組件的溫度逐漸升高。由于油液的流動(dòng)，將繞組、鐵芯中產(chǎn)生的熱量逐漸通過(guò)油箱傳遞到外面，所以油箱的溫度從30min的298K增加到120min時(shí)的303K。在變壓器工作運(yùn)行120min時(shí)，其最熱點(diǎn)位于低壓繞組上，其最熱點(diǎn)溫度為348.5K。

3.3 低壓繞組的溫度分布仿真

為了詳細(xì)分析高低壓繞組的熱點(diǎn)分布情況，對(duì)高低壓繞組進(jìn)行剖切，通過(guò)高低壓繞組的分布云圖以及剖切圖的結(jié)合，確定變壓器的熱點(diǎn)分布。在仿真中，分別選取30min，60min以及120min三個(gè)時(shí)間段對(duì)繞組、鐵芯的溫度分布情況進(jìn)行分析。

本文所研究的變壓器為三相油浸式變壓器，所以在分析時(shí)對(duì)變壓器的A、B、C三相的高低壓繞組都進(jìn)行了仿真。下文圖中繞組的排放順序?yàn)閺淖笾劣乙来螢锳、B、C三相繞組。

在變壓器工作30min時(shí)，從其低壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時(shí)的低壓繞組的熱點(diǎn)位于C相繞組的右側(cè)外表面的中部偏上位置，其最熱點(diǎn)的溫度值為319.6K。如圖7，圖8所示。

在變壓器工作60min時(shí)，從其低壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時(shí)的B相低壓繞組溫度最低，A相低壓繞組的溫度較30min時(shí)的溫度有所上升，但是60min時(shí)低壓繞組的熱點(diǎn)還是集中在C相繞組上。此時(shí)C相繞組的頂端的溫度比30min時(shí)高。低壓繞組的熱點(diǎn)位于C相繞組的右側(cè)外表面的中部偏上位置，最熱點(diǎn)的溫度值為339.6K。如圖9，圖10所示。

在變壓器工作120min時(shí)，從其低壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時(shí)最熱點(diǎn)溫度分別位于B相繞組以及C相繞組，最熱點(diǎn)的溫度值為348.5K。在B相繞組中，其最熱點(diǎn)位于左側(cè)外表面的中部，在C相繞組中，其最熱點(diǎn)位于右側(cè)外表面的中部偏上。如圖11，圖12所示。

3.4 高壓繞組的溫度分布仿真

在低壓繞組的基礎(chǔ)上，分離出高壓繞組，在分析時(shí)同樣選取30min、60min以及120min三個(gè)時(shí)間段，分別對(duì)高壓繞組的整體模型以及切面模型進(jìn)行仿真。

在變壓器工作30min時(shí)，從其高壓繞組溫度分布云圖中可以看出此時(shí)的A相高壓繞組的內(nèi)表面溫度最高，最熱點(diǎn)溫度值為311.8K。從其切面圖可以看出，A相高壓繞組的熱點(diǎn)集中在左側(cè)。所以30min時(shí)，變壓器的高壓繞組的最熱點(diǎn)位置在A相高壓繞組的左側(cè)中部的內(nèi)表面。如圖13，圖14所示。

在變壓器工作60min時(shí)，從其高壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時(shí)的A與C相高壓繞組都有最熱點(diǎn)的分布，其中A相高壓繞組的最熱點(diǎn)位于左側(cè)內(nèi)表面的中部，C相高壓繞組的最熱點(diǎn)位于右側(cè)外表面的中部。最熱點(diǎn)的溫度值為333.4K。如圖15，圖16所示。

在變壓器工作120min時(shí)，從其高壓繞組溫度分布云圖以及溫度切面圖中可以看出，此時(shí)的B與C相高壓繞組都有最熱點(diǎn)的分布，其中B相高壓繞組的左右側(cè)以及內(nèi)外表面都有最熱點(diǎn)分布，且分布于中部偏上的位置，C相高壓繞組的最熱點(diǎn)位于右側(cè)外表面的中部偏上。最熱點(diǎn)的溫度值為337.5K。如圖17，圖18所示。

從以上對(duì)鐵芯繞組的溫度分布仿真分析可以看出，低壓繞組和高壓繞組的最熱點(diǎn)都在其中部偏上的位置，在不同的時(shí)間段高低壓繞組的最熱點(diǎn)所在面不同。

3.5 鐵芯溫度分布仿真

對(duì)鐵芯溫度分布進(jìn)行仿真時(shí)，在高壓、低壓繞組的基礎(chǔ)上，分離出所要分析的鐵芯模型。分析時(shí)選取30min、60min、120min三個(gè)時(shí)間段，仿真結(jié)果如圖19-圖21所示。

從圖19得到，在30min時(shí)由于變壓器剛開始工作運(yùn)行時(shí)，鐵芯芯柱上產(chǎn)生的熱由于還沒(méi)及時(shí)傳遞給變壓器油，所以在30min時(shí)，鐵芯的熱點(diǎn)溫度主要分布在三個(gè)芯柱上，其中最熱點(diǎn)為299.6K。在此階段，從圖上看出各個(gè)溫度都為299.6K，此時(shí)變壓器剛工作不久，變壓器油流動(dòng)較為緩慢，鐵芯自身各部分的溫度變化不到一度，所以小數(shù)點(diǎn)后面被省略掉了。

從圖20得到，在變壓器工作60min時(shí)，鐵芯的最熱點(diǎn)分布不像30min時(shí)那樣范圍大，更集中于三個(gè)芯柱的中部，從圖可以看出，此時(shí)鐵芯的最熱點(diǎn)溫度是306.8K。

從圖21得到，在變壓器工作120min時(shí)，鐵芯的最熱點(diǎn)處在三個(gè)芯柱的中間，最熱點(diǎn)的溫度為313.7K。

在工作兩小時(shí)以后，它們各區(qū)域的溫度已不會(huì)有差異。為了分析需要，本文的溫升統(tǒng)計(jì)截止到120min。對(duì)仿真的最熱點(diǎn)溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如表1。

從數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)看出，截止到120min時(shí)，該35kV油浸式變壓器的最熱點(diǎn)溫度為75.5℃。其中熱量主要是集中在低壓繞組以及高壓繞組上面。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的最熱點(diǎn)溫度，計(jì)算出變壓器各組件的溫升數(shù)值。如表2。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)出的變壓器各部件溫升數(shù)值繪制溫升曲線圖。如圖22。

從溫升曲線可以看出，在120min內(nèi)，在繞組鐵芯的溫升中，低壓繞組的溫升值最大，其次是高壓繞組和鐵芯。這是由于低壓繞組緊靠鐵芯，低壓繞組與鐵芯之間間隙較小，因此油液流速低，導(dǎo)致熱量無(wú)法擴(kuò)散，溫升急劇。

4 結(jié)論

本文對(duì)35kV油浸式變壓器部件進(jìn)行建模，利用ANSYS Workbench建立油浸式變壓器溫升仿真模型。通過(guò)上述仿真模型，分析得到鐵芯、繞組熱點(diǎn)溫度分布以及在滿載運(yùn)行過(guò)程中繞組、鐵芯溫升情況，從而為油浸式變壓器的安全傳輸以及分配提供可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜莉.油浸式變壓器內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J].變壓器，2012，1（49）：19-22.

[2]方海彬，劉曉明.油浸式變壓器繞組油流及溫升影響因素分析[J].變壓器，2013（01）：35-37.

[3]李廣華.采用熱管散熱裝置的油浸式變壓器傳熱模型及分析[J].中國(guó)科技信息，2012（03）：58-60.

[4]吳依呈，許聚武.油浸式變壓器的三維溫度場(chǎng)建模[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（11）：201-203.

[5]導(dǎo)熱基本定律[OL].http：//baike.baidu.com/link？url=fMuzmsa-XtiKvubC5Kw1MfsF0QDG8Uxg0UM4R6gK77mKxYIX_wq_SSDrwvgDjJg0NyK342lqiW6OVV7q8wKtm_.

[6]Jean-Michel Mufuta M.B.，Eric Van den Bulck.Modelling of the mass flow distribution around an array of rectangular blocks in-line arranged and simulating the cross-section of a winding disc-type transformer[J]. Applied Thermal Engineering， 2001 （7）：39-40.

[7]鄧雙淵.油浸式電力變壓器熱點(diǎn)溫度在線監(jiān)測(cè)方法的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（20）：43-44.

[8]楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998：133-135.