姚 葉，陳 君，程 翔，甘 林，劉 飛，沈 晨

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201499)

配電變壓器由于本身的負(fù)載特點(diǎn)，有時(shí)會(huì)在夏季用電高峰時(shí)出現(xiàn)偶發(fā)性過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象，普通變壓器散熱系統(tǒng)的散熱能力，均不會(huì)考慮過(guò)負(fù)荷的特殊工況，這就導(dǎo)致油溫過(guò)高而引發(fā)事故[1]。

因此，只有通過(guò)一定技術(shù)研究，改善現(xiàn)有配電變壓器的過(guò)載能力，在負(fù)荷波動(dòng)較大的情況下有效降低油溫，就能大幅提升配電變壓器的運(yùn)行可靠性。本文提出一種基于石墨烯輻射涂料用于變壓器的運(yùn)行可靠性方案，可有效提升配電變壓器的工作可靠性。

1 現(xiàn)有配電變壓器存在的問(wèn)題

配電變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷日益增加。隨著電動(dòng)汽車的普及和大功率直流充電樁的興建，短期內(nèi)越來(lái)越多的大功率脈沖負(fù)載投入運(yùn)行時(shí)，很多地區(qū)的配電變壓器不堪重負(fù)出現(xiàn)故障，并且經(jīng)常出現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生的情況。然而，依賴于變壓器擴(kuò)容和更換變壓器的手段都成本高昂、人力物力消耗巨大。

此外，對(duì)于現(xiàn)有的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)絡(luò)，其負(fù)載率極不穩(wěn)定，如在低負(fù)載季節(jié)，更換大容量變壓器仍然具有較低的功率利用率、較大的空載損耗以及功率因數(shù)低的問(wèn)題[2]。

基于這些分析，需要提升變壓器的散熱能力，使之在偶發(fā)的過(guò)負(fù)荷條件下油溫不越限，才能用最經(jīng)濟(jì)的手段解決變壓器短時(shí)過(guò)負(fù)荷帶來(lái)的不利影響。

2 石墨烯理化特性

2.1 石墨烯結(jié)構(gòu)

石墨烯是由碳原子組成的單層片狀結(jié)構(gòu)的材料。碳原子通過(guò)sp2軌道雜交形成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，這是一種只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。

石墨烯材料是一種出色的改性劑，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在新能源領(lǐng)域，比如在電容器和鋰電池方面，由于其高傳導(dǎo)性和高比表面積，適合用作電極材料助劑[3]。

2.2 石墨烯結(jié)構(gòu)特性

石墨烯具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在石墨烯中，碳原子之間的連接非常靈活。當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子的表面彎曲并變形，從而不需要重新排列碳原子以適應(yīng)外力，并且結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有出色的導(dǎo)電性。

當(dāng)石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，由于晶格缺陷而不會(huì)被散射。因?yàn)樵又g的作用力非常強(qiáng)，所以即使周圍的碳原子在常溫下相互碰撞，石墨烯中的電子也幾乎不會(huì)受到干擾[4-6]。

2.3 石墨烯導(dǎo)熱特性原理

石墨稀通過(guò)蜂窩狀晶格中的sp2碳原子以形成二維單原子層結(jié)構(gòu)。每一個(gè)碳原子周圍有3個(gè)碳原子形成鍵角為120°的鍵；每一個(gè)碳原子均為sp2雜化并有助于剩余的一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵。石墨烯中，碳原子連續(xù)振動(dòng)，其振幅可能超過(guò)其厚度。石墨烯晶格振動(dòng)不僅影響石墨烯的形態(tài)特征，而且影響石墨烯的力學(xué)性質(zhì)、傳輸性能、熱性能和光電性能。對(duì)于石墨烯熱性能的影響主要是石墨烯晶格振動(dòng)[7-8]。

石墨烯晶格振動(dòng)的研究采用價(jià)力場(chǎng)方法。石墨烯的所有原子之間有鍵伸縮力和鍵彎曲力兩類相互作用力，與石墨烯薄片熱通量有關(guān)的表達(dá)式如下：

(1)

式中vhω——一個(gè)聲子所帶的能量，熱流中聲子的數(shù)目可由玻爾茲曼方程得出，式中表現(xiàn)為N(q，ω)。

熱導(dǎo)的宏觀定義：

Wα=-καβ(T)βhdxdy

(2)

式(2)中的熱系數(shù)是一個(gè)張量，表達(dá)式如下：

(3)

式中dx，dy——石墨烯樣品寬度和密度。

由此可寫出導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)角張量，表達(dá)式如下：

(4)

在考慮二維聲子態(tài)密度后可得到標(biāo)量導(dǎo)熱系數(shù)：

(5)

式(5)理論計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)主要由石墨烯的聲子頻率、聲子支數(shù)和聲子相互作用過(guò)程決定。從得出的結(jié)果中，可得到不同寬度石墨烯薄片的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系，如圖1所示。

圖1 對(duì)于不同寬度下石墨烯薄片的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系

從圖1可知，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)，即溫度越高導(dǎo)熱系數(shù)越小。在相同溫度下，導(dǎo)熱系數(shù)與石墨烯的寬度呈正相關(guān)。隨著溫度升高，晶格振動(dòng)增強(qiáng)，聲子劇烈運(yùn)動(dòng)，并且熱流中的聲子數(shù)目也增加。聲子之間的相互作用和碰撞更加頻繁，原子偏離對(duì)平衡位置的振動(dòng)幅度增大，這導(dǎo)致聲子散射增加，導(dǎo)熱載體的平均自由度降低。這是石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低的主要原因。

對(duì)于石墨烯，電子的運(yùn)動(dòng)在一定程度上也有助于熱傳導(dǎo)，在高溫下，晶格振動(dòng)主要有助于石墨烯的熱傳導(dǎo)。

石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(6)

式中Xg——溫度系數(shù)；L——單層石墨烯的中部與散熱片之間的距離；h——單層石墨烯厚度；d——單層石墨烯寬度；δf——G峰位移；δP——樣品熱功率變化。

從式(6)可得出，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)主要受單層石墨烯尺寸效應(yīng)、溫度變化以及石墨烯生長(zhǎng)基底材料三個(gè)因數(shù)的影響。

石墨烯具有很好的導(dǎo)熱性，晶格振動(dòng)在導(dǎo)熱過(guò)程中起著重要的作用。導(dǎo)熱系數(shù)取決于溫度和尺寸。其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和力學(xué)性能使石墨烯在溫度控制領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?，但這些性能都難以直接利用，因?yàn)樗鼈兌际腔谖⒂^的納米尺度。因此，為保持其納米效應(yīng)將納米的石墨烯宏觀組裝形成薄膜材料或涂料，是石墨烯規(guī)?；瘧?yīng)用的重要方法。

表1 采用紅外輻射涂料后的具體參數(shù)

3 變壓器運(yùn)行可靠性提升方案

3.1 新型紅外輻射散熱涂料的設(shè)計(jì)

變壓器現(xiàn)有的散熱器是翅片結(jié)構(gòu)金屬，盡管金屬本身的導(dǎo)熱系數(shù)很高，但是金屬散熱器表面的防銹涂料導(dǎo)熱系數(shù)很低，這大大降低了散熱器與空氣間的導(dǎo)熱系數(shù)，另外其熱輻射率也很低。拋光后銅和鋁的輻射率也僅為0.05，即使通過(guò)陽(yáng)極氧化處理之后也不高于0.6，紅外輻射散熱效率依然非常低。由此在變壓器上采用能大幅提升導(dǎo)熱系數(shù)與紅外輻射系數(shù)的石墨烯導(dǎo)熱涂料，有望大幅提升變壓器與環(huán)境空氣的熱交換效率。

石墨烯納米散熱涂料由填料、穩(wěn)定劑、粘結(jié)劑、助劑與納米級(jí)的石墨烯顆粒組成。它是一種出色的電熱涂料，兼具出色的紅外輻射特性、高導(dǎo)熱率、節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)。

利用石墨烯超高的導(dǎo)熱率和紅外輻射系數(shù)的特性，設(shè)計(jì)專門的輔助強(qiáng)化散熱器，提升現(xiàn)有變壓器熱交換能力，則有望大幅提升變壓器的偶發(fā)過(guò)載承受能力。部分石墨烯散熱涂料的具體參數(shù)如表1所示。

3.2 利用石墨烯輻射涂料設(shè)計(jì)變壓器強(qiáng)化散熱組件

石墨烯材料基于納米級(jí)石墨材料經(jīng)涂料加工工藝制成，涂敷在材料表面后，能極大提升物體表面的紅外輻射效率，傳熱通過(guò)對(duì)流、輻射與傳導(dǎo)三個(gè)途徑，通過(guò)變壓器表面臨時(shí)增設(shè)經(jīng)過(guò)納米石墨烯處理過(guò)的強(qiáng)化散熱導(dǎo)熱體，能極大提升現(xiàn)有變壓器散熱筋的排熱能力。

為了方便考慮在既有變壓器上加裝，利用鋁型材與軟性導(dǎo)熱材料，設(shè)計(jì)了可安裝于既有變壓器散熱翅片或散熱筋的強(qiáng)化散熱組件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變壓器強(qiáng)化散熱組件結(jié)構(gòu)

當(dāng)遇到過(guò)載發(fā)熱的變壓器后，將強(qiáng)化散熱組件上的散熱筋插槽對(duì)準(zhǔn)變壓器的各個(gè)散熱筋依次插上[9-10]，軟性導(dǎo)熱體結(jié)構(gòu)夾緊散熱筋，強(qiáng)化散熱組件將變壓器散熱筋上的熱量快速?gòu)?qiáng)制輻射對(duì)流，起到緊急油溫控制效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)同一型號(hào)變壓器不同負(fù)荷下的溫升對(duì)比，驗(yàn)證基于石墨烯輻射強(qiáng)化的輔助散熱組件油溫控制效果，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)環(huán)境溫度20℃。

表2 不同負(fù)荷下試驗(yàn)方案對(duì)比

試驗(yàn)表明，石墨烯輔助散熱組件對(duì)于既有變壓器的散熱能力提升效果明顯，只要在變壓器兩邊的散熱器翅片裝設(shè)一邊的翅片輔助散熱組件，就能大幅降低溫升。

石墨烯輔助散熱組件降溫效果對(duì)比如圖3所示。試驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明當(dāng)變壓器油溫90℃時(shí)，輔助散熱器可降溫10℃以上。

圖3 石墨烯輔助散熱組件降溫效果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了現(xiàn)有配電變壓器固有散熱系統(tǒng)的散熱能力不足以應(yīng)對(duì)過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象的情況，以此為基礎(chǔ)提出了一種基于石墨烯輻射涂料的實(shí)用型變壓器設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了變壓器強(qiáng)化散熱的輔助散熱模塊。

試驗(yàn)證明這些手段可以有效提高變壓器的輻射傳熱能力和過(guò)載能力，對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)較大的配電變壓器，能非常有效降低油溫，降低了偶發(fā)的過(guò)負(fù)荷引發(fā)變壓器過(guò)熱火災(zāi)事故概率。