粱仕斌, 彭慶軍, 張　欣, 陳曉云, 陳興畢, 李　川

(1.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司,云南 昆明650051；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217；3.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)

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風(fēng)冷變壓器油溫的動(dòng)態(tài)影響分析*

粱仕斌1, 彭慶軍2, 張欣3, 陳曉云2, 陳興畢3, 李川3

(1.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司,云南 昆明650051；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217；3.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)

根據(jù)油流自下而上循環(huán)的特點(diǎn),將三只光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器A,B,C安裝在油箱內(nèi)固定支架的三個(gè)位置處,分別用來測(cè)量變壓器的頂、中、底層油溫。光柵中心波長隨溫度變化而變化,通過FBG中心波長的變化量可實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫變化的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)得出變壓器的頂、中、底層最高油溫分別為73,66.5,52.2 ℃,打開風(fēng)機(jī)后依次經(jīng)14,5,3 min后開始降溫,對(duì)應(yīng)的降溫時(shí)間常數(shù)為4 364,3 236,1 527 s,約25 min后溫度穩(wěn)定在64,52,45 ℃。分析表明：開風(fēng)扇后頂、中、底層油溫降低存在依次減小的延時(shí),且降溫速率依次增高。

油浸式變壓器； 風(fēng)冷； 油溫； 光纖Bragg光柵溫度傳感器

0　引　言

近年來,電力系統(tǒng)容量不斷的增大,電壓等級(jí)不斷的提高,電力變壓器的單臺(tái)容量也不斷地增加,由此帶來的熱量損耗更加嚴(yán)重。因此,大型油浸式變壓器多采用強(qiáng)迫油循環(huán)的方式來冷卻內(nèi)部溫度。在80～140 ℃范圍內(nèi)油浸紙絕緣的熱點(diǎn)溫度每升高6K絕緣老化率將增加1倍。溫升過高會(huì)使絕緣材料老化,從而降低絕緣性能、縮短使用壽命,進(jìn)而影響電力變壓器的效率和正常運(yùn)行[1]。油浸式變壓器中80 %以上采用的是自然油循環(huán)的冷卻方式,為此定量準(zhǔn)確地測(cè)量變壓器內(nèi)部溫度是非常必要的[2]。在油浸式變壓器油溫的研究中,岳國良等人在油浸風(fēng)冷變壓器測(cè)溫研究中最熱點(diǎn)位置隨環(huán)境溫度的升高而上升,隨熱點(diǎn)溫度值的升高也在上升,更加靠近繞組頂端[3]；Black W Z等人對(duì)一個(gè)強(qiáng)風(fēng)冷卻油浸變壓器各部分溫度進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算溫度與試驗(yàn)溫度吻合較好[4]；王秀春等人在對(duì)油浸式變壓器的熱流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的研究中得出油箱的頂層的熱油的流速最大,換熱能力強(qiáng)[5]。

本文在已有的油溫溫度場(chǎng)分析基礎(chǔ)上,使用光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器直接測(cè)量風(fēng)冷對(duì)變壓器油溫度的動(dòng)態(tài)影響,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得出,開風(fēng)扇后頂、中、底層油溫降低存在不同延時(shí)且降溫速率依次增高。

1　變壓器風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)與原理

在變壓器運(yùn)行中,鐵芯和繞組發(fā)熱,與其接觸表面附近的油被加熱,密度降低,在浮升力作用下上升到油箱上部,并從油箱出口流向散熱器。油流經(jīng)散熱器時(shí),將吸收的熱量以對(duì)流換熱形式傳給散熱片壁,被加熱的散熱片壁通過熱福射和與周圍空氣的對(duì)流換熱將熱量散出。油在散熱器內(nèi)部溫度下降,密度增大,冷卻油靠自重而下沉,從變壓器進(jìn)口處進(jìn)入變壓器,這樣油箱內(nèi)的發(fā)熱與箱外散熱器的冷卻兩種力量(浮升力和下沉力)推動(dòng)變壓器油周而復(fù)始連續(xù)不斷進(jìn)行循環(huán)。散熱器外部的空氣靠動(dòng)力循環(huán),熱空氣被風(fēng)扇吹走,冷空氣隨之補(bǔ)充進(jìn)來形成冷熱空氣交換流動(dòng),變壓器的熱量不斷地傳給空氣,形成一種動(dòng)態(tài)平衡[6,7]。維持變壓器各部(鐵芯、繞組、油等)溫升在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍以內(nèi),從而保障變壓器的正常運(yùn)行。圖 1為變壓器風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)和油循環(huán)散熱原理圖,圖中帶箭頭的虛線為變壓器油循環(huán)路徑。

圖1　變壓器風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)和油循環(huán)散熱原理圖Fig 1　Structure of transformer air cooling heat radiation and principle diagram of oil circulation heat radiation

變壓器鐵芯、繞組、油之間的傳熱過程如圖2所示。

圖2　風(fēng)冷油浸式變壓器傳熱過程Fig 2　Heat transfer process of air-cooled oil immersed transformer

2　35 kV變壓器的油溫測(cè)試

對(duì)型號(hào)為S13-12500/35型的油浸式無勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)變壓器油自下而上循環(huán)路徑,將A,B,C三只FBG溫度傳感器分別安裝在油箱內(nèi)固定支架的三個(gè)位置上,通過耦合器與連接在變壓器頂部的貫通器把箱內(nèi)溫度采集傳輸出來,后端經(jīng)過通信光纖接到光波長解調(diào)儀。

圖3　變壓器頂中底層油溫測(cè)試原理圖Fig 3　Test principle diagram of oil temperature in top,middle and bottom layer of transformer

FBG溫度傳感器測(cè)量變壓器油溫的原理是：當(dāng)油溫發(fā)生變化時(shí),與其接觸的FBG有效折射率和有效柵距也會(huì)隨之改變,最終導(dǎo)致光纖光柵中心波長移位,其中波長變化信號(hào)由光纖傳出,然后傳輸至信號(hào)處理器進(jìn)行處理,通過測(cè)量光柵中心波長的變化量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油溫的測(cè)量。

3　油溫?cái)?shù)據(jù)分析

16:00開始測(cè)溫實(shí)驗(yàn),變壓器帶1.3倍額定功率開始升溫,運(yùn)行2h 36 min時(shí)后開風(fēng)扇對(duì)其風(fēng)冷持續(xù)至次日01:00,在開風(fēng)扇時(shí)變壓器頂、中、低層油溫分別為73,66.5,52.2 ℃,分別經(jīng)過14,5,3 min后均會(huì)達(dá)到最高溫度依次為74.8,67.5,52.4 ℃。如圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的油溫隨時(shí)間的變化曲線。

圖4　油溫變化曲線圖Fig 4　Curve of oil temperature variation

在開風(fēng)機(jī)前,各點(diǎn)油溫均呈上升趨勢(shì)。其原因?yàn)樽儔浩鞯陌l(fā)熱功率大于散熱功率。在開機(jī)后,油在變壓器和散熱器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。油每循環(huán)一次,都會(huì)吸收來自鐵芯和繞組的熱量,而散發(fā)出去的熱量小于吸收的熱量,所以測(cè)試點(diǎn)的溫度都呈上升趨勢(shì)。由圖1可知油浸式變壓器的油流動(dòng)方向,在變壓器內(nèi)部為自下往上,而在散熱片內(nèi)是自上而下。經(jīng)過散熱片后,油溫降低,由散熱器底部流出,再從變壓器底部進(jìn)入,依次經(jīng)過C,B,A測(cè)試點(diǎn),而在此過程中油吸收變壓器散發(fā)的熱量而升溫。經(jīng)過C,B,A測(cè)試點(diǎn)過程中油溫在不斷升高,所以,頂、中、底層油溫依次升高。

當(dāng)開風(fēng)機(jī)后,頂、中、底層油溫先繼續(xù)升溫分別經(jīng)過14,5,3 min后開始降溫。各點(diǎn)降溫都存在不同延時(shí)，是因?yàn)殚_風(fēng)扇后油在變壓器內(nèi)流動(dòng)相對(duì)緩慢,因此,開風(fēng)機(jī)后變壓器內(nèi)部油溫依舊上升,而散熱器中的油開始降溫,直到散熱器中低溫油流到變壓器底部,底層油溫才開始下降,中層和頂層則隨后依次開始下降。頂、中、低層油溫下降速率依次增加是因?yàn)榈蜏赜徒?jīng)過底、中、層時(shí)在不端吸收熱量,因此，油溫上升,其余變壓器的溫差減小,單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量降低,因此，溫度降低速率逐漸降低,底層溫差最大,其溫度降低速率最快。風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后,頂、中、底層油溫均趨近平穩(wěn)，是因?yàn)槲矬w發(fā)熱功率等于其散熱功率時(shí),達(dá)到熱平衡狀態(tài)。變壓器溫度隨著油溫的降低而降低,變壓器和油的溫差達(dá)到一定值,散熱器散熱功率也將降到一定值,此時(shí)變壓器的發(fā)熱功率就可以等于散熱器散熱功率,測(cè)試的各點(diǎn)溫度趨近平穩(wěn)。

對(duì)開風(fēng)扇后頂、中、底層油的油溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合,各層油溫曲線呈指數(shù)衰減,擬合結(jié)果如圖5。

圖5　油溫?cái)?shù)據(jù)擬合圖Fig 5　Fitting chart of oil temperature data

(1)

式中ΔT為溫度變化量,τ為時(shí)間常數(shù),T0為穩(wěn)定值。頂、中、底層油溫?cái)M合參數(shù)值,如表1。

表1　頂、中、底層油溫?cái)M合數(shù)據(jù)

由擬合度時(shí)間常數(shù)τ的值可知,頂、中、底層油溫的下降速度越來越快,符合變壓器降溫油經(jīng)過散熱片后,油溫降低,由散熱器底部流出,再從變壓器底部進(jìn)入到頂部的事實(shí),變壓器底、中、頂時(shí)間常數(shù)依次增大與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致；t=0時(shí),ΔT+T0為頂、中、底層最高溫度,分別約為77.7,68.8,51.3 ℃,接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的74.8,67.5,52.4 ℃；擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完全吻合,由此可以得出,開風(fēng)機(jī)后,變壓器內(nèi)部油溫將呈現(xiàn)指數(shù)下降,直至達(dá)到平穩(wěn)。

4　結(jié)　論

本文對(duì)型號(hào)為S13—12500/35型的油浸式變壓器進(jìn)行測(cè)試,分析了開風(fēng)扇后風(fēng)冷對(duì)油浸式變壓器的油溫的影響。打開風(fēng)機(jī)后頂、中、底層依次經(jīng)14,5,3 min后達(dá)到各自的最高溫74.8,67.5,52.4 ℃并開始降溫,約25 min后溫度分別穩(wěn)定在64,52,45 ℃。并對(duì)其進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完全吻合。分析表明:開風(fēng)扇后,頂、中、底層油溫降低存在依次減小的延時(shí)且降溫速率依次增高。

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Analysis on dynamic effects of air-cooled transformer oil temperature*

LIANG Shi-bin1, PENG Qing-jun2, ZHANG Xin3, CHEN Xiao-yun2, CHEN Xing-bi3, LI Chuan3

(1.Yunnan Electric Power Research Institute (Group) Co Ltd,Kunming 650051,China；2.Yunnan Power Grid Limited Liability Company Corporation,EPRI ,Kunming 650217 China；3.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

According to oil flow cycling characteristics from bottom to up,three fiber Bragg grating (FBG) temperature sensors,A,B,C are installed in fuel tank bracket is fixed in three locations which are used to measure oil temperature of top,middle and bottom layer of transformer.The grating center wavelength varies with temperature,by variation of FBG center wavelength can realize measurement of oil temperature change.Experimental results show that the highest oil temperature at top,middle and bottom of transformer are 73,66.5,52.2 ℃ respectively,open the blower in turn after 14,5,3 min began to cool,corresponding cooling time constant are 4 364,3 236,1 527 s,about after 25 min,temperature is stable at 64,52,45 ℃.The analysis shows that,in top,middle,bottom layers,oil temperature decreases after opening fan and cooling rate increased.

oil immersed transformer; air cooling; oil temperature; fiber Bragg grating(FBG) temperature sensor

2015—11—09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013)

TP 212

A

1000—9787(2016)08—0027—03

梁仕斌(1974-),男,四川內(nèi)江人,高級(jí)工程師,主要從事互感器試驗(yàn)與研究工作。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0027—03