韋瑋, 李鑫,徐曉剛,汪進(jìn)鋒

(1. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

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基于Fluent的植物絕緣油配電變壓器溫度場有限元仿真分析

韋瑋1, 李鑫2,徐曉剛2,汪進(jìn)鋒2

(1. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

為研究FR3植物絕緣油配電變壓器運(yùn)行時的溫度場分布，應(yīng)用熱工學(xué)和流體力學(xué)原理分析了配電變壓器內(nèi)部熱傳導(dǎo)及散熱機(jī)制，并且基于ANSYS的Fluent模塊建立了該配電變壓器溫度場的仿真分析三維模型。采用有限元法求解該模型的流體-溫度場，得到配電變壓器的整體溫度分布趨勢及最熱點(diǎn)溫升?；谠撃Ｐ头治鰧Ρ攘薋R3植物油與普通礦物油對變壓器熱點(diǎn)溫度及繞組溫升的影響，結(jié)果表明：雖然植物油黏度大，散熱性不如礦物油，但也能滿足實(shí)際工程中配電變壓器溫升限值要求，因其燃點(diǎn)高、易降解的優(yōu)點(diǎn)，未來在變壓器領(lǐng)域可能會替代礦物油。

植物油；配電變壓器；流體-溫度場；熱點(diǎn)溫度；有限元；Fluent

礦物絕緣油是目前油浸式配電變壓器(以下簡稱“配變”)中最廣泛采用的絕緣材料(采用礦物絕緣油的變壓器占油浸式變壓器總量的99%以上)，其燃點(diǎn)和閃點(diǎn)低，降解時間長，環(huán)保性能差，這將制約油浸式變壓器今后的發(fā)展[1]。隨著技術(shù)的不斷完善，植物絕緣油變壓器開始投入運(yùn)行，由于其優(yōu)良的電氣絕緣性能和理化性能，將來可能會成為變壓器絕緣油的主力[2]。溫升指標(biāo)是變壓器設(shè)計(jì)及運(yùn)行中非常重要的性能參數(shù)，當(dāng)熱點(diǎn)溫度超過溫升限制時，會加速絕緣老化，縮短變壓器壽命，影響變壓器運(yùn)行[3-4]。植物油與傳統(tǒng)礦物油相比，導(dǎo)熱系數(shù)較大，黏度大，會對整個絕緣系統(tǒng)的散熱產(chǎn)生重大影響。因此研究植物油對變壓器散熱及溫度場分布的影響，為綠色絕緣系統(tǒng)配變的設(shè)計(jì)與改進(jìn)、植物油理化特性的改善等提供依據(jù)，具有重要的工程意義。

隨著以有限元為代表的數(shù)值仿真計(jì)算的發(fā)展，國內(nèi)外對于電氣設(shè)備的溫升計(jì)算越來越多地采用數(shù)值計(jì)算方法[5-7]。目前，對變壓器溫度場的研究多采用流體-溫度場耦合的數(shù)值計(jì)算模型。文獻(xiàn)[8-10]利用Fluent和ANSOFT對傳統(tǒng)油浸式電力變壓器的二維模型進(jìn)行溫度場仿真分析；文獻(xiàn)[11-13]利用ANSYS對傳統(tǒng)油浸式電力變壓器的電磁場及溫度場都進(jìn)行了三維仿真分析，并與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果相對比。目前對植物絕緣油配變溫度場仿真分析還少有研究，文獻(xiàn)[14]利用Fluent對不同絕緣油的電力變壓器進(jìn)行仿真分析，但是沒有將植物油與礦物油的黏度差異而引起流速不同的因素加以考慮。本文以10 kV/400 kVA配變?yōu)槔?，建立三維有限元仿真模型，應(yīng)用ANSYS中Fluent模塊的Boussinesq模型對FR3植物絕緣油配變的油流場、溫度場進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果滿足工程上的要求；在相同的結(jié)構(gòu)及熱源下，對比分析礦物油和植物油對配變油流速度、溫升及溫度場分布的影響。

1 植物油配變有限元計(jì)算模型

1.1 配變?nèi)S簡化模型

本文以400 kVA自然油循環(huán)冷卻配變?yōu)樵?，建立三維流體-溫度場仿真模型。變壓器主要參數(shù)：低壓側(cè)繞組額定電壓為0.4 kV；繞組為層式結(jié)構(gòu)，共2層，每層厚度11.25 mm，內(nèi)半徑為138 mm，外半徑為191 mm；油道寬度為4 mm。高壓側(cè)額定電壓為10 kV；繞組共13層，每層厚度1.82 mm，內(nèi)半徑為208 mm，外半徑為278 mm；4層與5層間是全油道，8層與9層間是半油道，油道寬度為4 mm。變壓器鐵心采用23Q90型硅鋼片，鐵心重709.4 kg。變壓器油箱的尺寸為0.96 m×0.54 m×1.02 m。材料為Q235A鋼板，厚度為4 mm。三維配變仿真模型如圖1所示。

圖1 三維配變仿真模型

1.2 網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分的質(zhì)量與數(shù)量對計(jì)算結(jié)果有很大的影響，質(zhì)量高、數(shù)量大可以提高計(jì)算的精度，但數(shù)量過大又會影響計(jì)算的速度。因此在設(shè)置網(wǎng)格單元類型和單元尺寸時應(yīng)合理把握[15]。

因變壓器繞組與鐵心壁面邊界層的法相速度梯度和溫度梯度大，壁面附近流動阻力也較大，故該區(qū)域是影響計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵區(qū)域，對該區(qū)域網(wǎng)格的剖分至關(guān)重要。利用軟件Hypermesh對模型的面網(wǎng)格進(jìn)行剖分，網(wǎng)格大小最大15 mm，最小2 mm，網(wǎng)格數(shù)量共4 424 497。利用ANSYS中的icem cfd模塊對體網(wǎng)格用四面體進(jìn)行剖分，網(wǎng)格數(shù)量共2 036 268。網(wǎng)格剖分圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格剖分

1.3 基本假設(shè)與邊界條件

應(yīng)用Fluent計(jì)算變壓器溫度場時，首先做了如下假設(shè)[16]：

a)穩(wěn)態(tài)——當(dāng)發(fā)熱與散熱達(dá)到平衡時，繞組、鐵心等各部件以及油流的溫度速度分布不隨時間變化。

b)常物性——固體所用材料密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)以及油的黏度都為常數(shù)。

c)單位熱源分布均勻，并且為常數(shù)。

d)環(huán)境溫度為常數(shù)20 ℃。

e)變壓器的散熱面積為油箱有效散熱面積與散熱片有效散熱面積總和。

由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得流體各部分密度不同(溫度高的區(qū)域密度小，流體必然上升；溫度小的區(qū)域密度大，流體必然下降)，從而引起流體內(nèi)部的自然對流。Fluent中可以采用2種方法進(jìn)行模擬，一種是定義密度法，一種是通過Boussinesq模型計(jì)算。對于密度隨溫度變化不大的液體介質(zhì)，一般采用Boussinesq模型來計(jì)算以加快收斂速度，迭代了82 000多次以后，計(jì)算結(jié)果收斂。

1.4 計(jì)算方法

配變熱源包括鐵心損耗、線圈損耗及漏磁場在金屬構(gòu)件上產(chǎn)生的渦流損耗，絕緣材料如紙板和絕緣油也有介質(zhì)損耗的產(chǎn)生。其中線圈損耗和鐵心損耗是變壓器的主要熱源。油浸式配變達(dá)到熱平衡的一般過程也分為3個方式：一是通過熱傳導(dǎo)作用，熱量從變壓器鐵心和繞組的中部傳遞到其外表面；二是通過對流換熱作用，熱量從變壓器鐵心和繞組的外表面?zhèn)鬟f到變壓器油及油箱壁；三是通過對流換熱及輻射散熱作用，熱量從油箱壁傳遞到空氣中[17]。對于不可壓縮的理想流體，變壓器油在油箱內(nèi)的流動及分布特性符合質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，如式(1)至(3)所示[18]：

(1)

(2)

(3)

2 植物油配變仿真計(jì)算與分析

2.1 熱源計(jì)算

流體-溫度場仿真中，假設(shè)外部環(huán)境溫度為20 ℃，對配變的繞組按油道分層處理。變壓器發(fā)熱部件主要是高壓繞組、低壓繞組及鐵心，假設(shè)熱量分布均勻，并且為常數(shù)，各部件損耗為Q，體積為V，則在變壓器溫度場計(jì)算中，對發(fā)熱體施加的體積熱量為q=Q/V?？梢酝ㄟ^相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式及廠家提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算各部分發(fā)熱體的損耗[14]。

由表1可知，低壓繞組熱流密度最大，高壓繞組產(chǎn)熱總量最多。

表1 變壓器主要熱源

熱源體積/dm3熱量/W熱流密度/(W·m-3)高壓繞組50.044160532072低壓繞組28.344153254050鐵心95.6723803972

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)定

變壓器流體溫度場常采用有限元分析軟件ANSYS中的Fluent模塊進(jìn)行求解。仿真參數(shù)的設(shè)定將直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，表2列出了仿真過程中FR3植物絕緣油的關(guān)鍵參數(shù)，并與常用礦物油作比較。由表2數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)R3植物油的密度、黏度、比熱容和熱導(dǎo)率均大于常用礦物油，黏度是常用礦物油的6倍，熱膨脹系數(shù)相同。

表2 FR3植物油與礦物油物性參數(shù)

物性FR3植物油礦物油密度/(kg·m-3)920890運(yùn)動粘度/(mm2·s-1)33.35.5比熱容/(J·kg-1·K-1)18801838.5熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)0.170.13熱膨脹系數(shù)/K-17×10-47×10-4

2.3 油流場的分布

絕緣油流動速度將直接影響配變的散熱從而影響溫升。圖3給出了z軸0位置(z=0)截面的FR3植物油配變內(nèi)部油流場速度矢量分布。

圖3 z=0截面的FR3植物油配變油流場速度矢量分布

根據(jù)流體力學(xué)可知，流體一般是從低溫處流向高溫處，從密度大的區(qū)域流向密度小的區(qū)域。結(jié)果顯示，繞組及鐵心底部的油流速度大于繞組及鐵心端部，繞組層間垂直油道底部油流速度最大，最大流速為20 mm/s。絕緣油從油道從下往上流動，由于絕緣油與油箱壁及鐵心表面附近有摩擦力，油流速度明顯下降。經(jīng)軟件計(jì)算，配變內(nèi)部整體平均流速為12 mm/s，滿足配變在工程上的要求。

2.4 溫度場的分布

從熱量傳播的過程可知，配變內(nèi)部各部位的溫度不僅與繞組、鐵心等發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量大小有關(guān)，而且還與熱源周圍的散熱條件有關(guān)，不同部位溫度不同。

圖4(a)為三維繞組及鐵心溫度分布云圖。由圖可知，鐵心最高溫度在低壓繞組接近端部的區(qū)域。這是因?yàn)榈蛪豪@組的平均體積熱量大，油從下往上流動，流速減慢，上部散熱會稍差。低壓繞組最高溫度為346 K，最熱點(diǎn)溫升值為52 K，能夠滿足GB 1094.2—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》中油浸式變壓器繞組平均溫升小于65 K的規(guī)定。低壓繞組溫度最熱點(diǎn)位置大概在繞組沿高度方向的70%處，沿幅向則位于繞組厚度(自內(nèi)徑算起)1/3處，與經(jīng)驗(yàn)值一致。整個植物油配變的繞組的平均溫升為50 K，滿足工程上的要求。

(a)三維繞組及鐵心

(b)繞組及鐵心橫縱截面圖4 植物油配變溫度分布

圖4(b)為繞組及鐵心橫縱截面溫度分布云圖。由圖可知，自鐵心至絕緣油的幅向溫度先增大后減小，鐵心靠近低壓繞組側(cè)處溫度最高；油道附近的繞組溫度略小，這是因?yàn)橛偷牧鲃訒ё咭徊糠譄崃?；軸向溫度自上而下呈遞減趨勢。

3 礦物油配變仿真計(jì)算對比分析

3.1 礦物油配變仿真模型

利用第1章所建立的配變仿真模型，設(shè)置同樣的外界條件，施加同樣的熱源，將植物油的相關(guān)參數(shù)替換成礦物油的，再次進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真參數(shù)變化見表2。

3.2 油流場分布及對比分析

圖5為z=0截面的礦物油配變內(nèi)部油流場速度矢量分布圖。結(jié)果顯示，同樣的仿真條件下，礦物油流速最大值為20 mm/s，平均流速在14 mm/s左右，散熱效果較好。

圖5 z=0平面的礦物油配變內(nèi)部油流場速度矢量分布

礦物油配變油流場分布整體趨勢與植物油配變相同。繞組層間油道下部流速大于油道上部，油道中絕緣油流速較小，從油道自下往上流動，帶走熱量；油箱壁及鐵心附近流速減緩；低壓繞組層間油道的絕緣油流速略大于高壓繞組。由于礦物油黏度遠(yuǎn)小于FR3植物油，因此流速較植物油更大，平均流速相差2 mm/s。

3.3 溫度場分布及對比分析

圖6為礦物油配變?nèi)S模型截面溫度分布云圖。鐵心最高溫度仍在低壓繞組接近端部的區(qū)域，沿高度方向的70%處，沿幅向則位于繞組厚度(自內(nèi)徑算起)1/3處，最熱點(diǎn)溫度為326.5 K，比植物油配變的最熱點(diǎn)溫度低20 K。圖中明顯可以看出，變壓器內(nèi)部上端溫度比下端溫度更高。

圖6 礦物油配變溫度分布圖

為了更直觀地看出植物油配變和礦物油配變溫度變化的差異，分別作出V相繞組沿軸向(y軸)及幅向(z軸)2條曲線，將溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用Origin軟件分別畫在2個曲線圖上進(jìn)行對比，如圖7的(a)、(b)所示。從圖7可以明顯看出，植物油配變各位置溫度都比礦物油配變的溫度高十幾開，但是總體分布趨勢基本一致，最熱點(diǎn)溫度在V相繞組靠頂端的位置。

(a) y軸

(b) z軸圖7 2種配變V相繞組沿軸向溫度變化

表3為植物油配變及礦物油配變各部分平均溫升及最高溫度對比。從表中可知，植物油配變溫度整體比礦物油配變溫度高。其中，低壓繞組部分溫度最高，溫度差異最大，平均溫升最多相差20 K；絕緣油部分溫度較低，溫度差異相對較小，為12 K；2種配變溫升均滿足GB 1094.2—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》中的規(guī)定，植物油配變對變壓器散熱設(shè)計(jì)要求更高。

4 結(jié)論

本文基于ANSYS中的Fluent模塊對400 kVA自然油循環(huán)配變建立流固體耦合仿真模型，分別對FR3植物油及傳統(tǒng)礦物油2種絕緣油配變進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算及分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a)額定負(fù)載下，植物油配變的溫度場分布趨勢與礦物油配變的溫度場分布趨勢一致，最熱點(diǎn)溫度在V相低壓繞組沿高度方向的70%處，沿幅向位于低壓繞組厚度(自內(nèi)徑算起)1/3處。

b)在同一個模型及熱源條件下，相對于礦物油，F(xiàn)R3植物油由于黏度較大，油流速度較慢，平均流速慢2 mm/s，因此熱對流性差；相對于礦物油配變，植物油配變繞組最熱點(diǎn)溫升高20 K，繞組平均溫升高17.7 K。繞組及鐵心附近自下往上油流速度逐漸下降，溫度逐漸升高。

c)雖然植物油配變的溫升比礦物油配變溫升略高，但是也能滿足GB 1094.2—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》中的相關(guān)規(guī)定，驗(yàn)證了植物油替代礦物油作為絕緣介質(zhì)的可行性，由于其環(huán)保的特性，未來具有很好的發(fā)展前景。

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(編輯 霍鵬)

Finite Element Simulation for Temperature Field of Vegetable Insulating Oil Distribution Transformer Based on Fluent

WEI Wei1, LI Xin2, XU Xiaogang2, WANG Jinfeng2

(1.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In order to study temperature field distribution of FR3 vegetable insulating oil distribution transformer in operation, this paper applies thermal engineering and principles of fluid mechanics to analyzes internal heat conduction and heat dissipation mechanism of the distribution transformer, and establishes 3D simulating analysis model for temperature field of the transformer based on Fluent module of ANSYS. Finite element method is used for solving fluid temperature filed of this model and getting the overall temperature distribution trend and the hottest spot temperature rise of the distribution transformer. On the basis of this model, it also compares and analyzes influence on hot spot temperature and winding temperature rise by FR3 vegetable oil and common mineral oil. Results indicate although vegetable oil has higher viscosity and worse heat dispersion compared with mineral oil, it can meet requirements for temperature rise limit of the distribution transformer in actual engineering. Due to its advantages such as having high ignition point and being easily degradable, the vegetable oil is probably to take place mineral oil in the field of transformer in future.

vegetable oil; distribution transformer; fluid temperature field; hot spot temperature; finite element; Fluent

2016-06-13

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJQQ20152010)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.021

TM411;TB115

A

1007-290X(2016)10-0121-06

韋瑋(1993)，女，廣西貴港人。在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)設(shè)備與運(yùn)行。

李鑫(1984)，男，河南鄭州人。高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事高壓電力設(shè)備試驗(yàn)、配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行分析、配網(wǎng)防雷技術(shù)相關(guān)工作。

徐曉剛(1982)，男，江蘇江陰人。高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行管理相關(guān)工作。