張衛(wèi)慶 王成亮 徐 洪 高愛(ài)民 于國(guó)強(qiáng) 殳建軍 李 燕

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)迅速發(fā)展，作為電能輸送的重要設(shè)備之一，變壓器的安全性已經(jīng)成為一個(gè)重要課題。由于大容量高電壓變壓器供電范圍大，其運(yùn)行狀況對(duì)電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性至關(guān)重要。變壓器故障對(duì)輸變電系統(tǒng)造成的影響極大[1-3]，其中，繞組溫度異常引起的變壓器故障非常普遍，直接影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用電的正常供應(yīng)，很大程度上制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4-5]。

大部分變壓器壽命的終結(jié)是因?yàn)槠鋯适Я藨?yīng)有的絕緣能力，而影響絕緣能力的最主要因素是變壓器運(yùn)行時(shí)的繞組溫度，如果變壓器運(yùn)行時(shí)的繞組最熱點(diǎn)溫度過(guò)低，變壓器的能力就得不到充分利用，經(jīng)濟(jì)效益降低；而熱點(diǎn)溫度過(guò)高，不僅會(huì)影響變壓器的使用壽命，還將對(duì)變壓器的安全運(yùn)行造成極大的威脅。

因此，監(jiān)測(cè)變壓器繞組及其溫升對(duì)保障變壓器正常工作和使用壽命至關(guān)重要[6-7]。

1 變壓器溫升試驗(yàn)研究

為了改善變壓器運(yùn)行時(shí)存在的各種問(wèn)題，針對(duì)變壓器繞組溫升會(huì)對(duì)變壓器產(chǎn)生的影響，國(guó)內(nèi)外的許多專(zhuān)家和工程研究者們利用變壓器溫度熱點(diǎn)的獲取及測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了研究變壓器溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索與研究，形成了以熱電偶法、繞組法、電阻法和光纖測(cè)溫法等為主的變壓器溫升測(cè)量方法[8-10]。

王恩龍[11-12]搭建了分布式光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，通過(guò)采集變壓器不同部位的溫升數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較與分析，采用外推法計(jì)算得出變壓器繞組的平均溫升與熱點(diǎn)溫升之間的關(guān)系。為了解決接觸式測(cè)溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)的低安全性、低準(zhǔn)確性、低效率、靈活性不足和功耗過(guò)高等問(wèn)題，尚志軍等[13]提出了一種變壓器溫升試驗(yàn)的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。朱瑞華等[14]從發(fā)熱和散熱這兩大因素出發(fā)，針對(duì)近年溫升試驗(yàn)不合格的原因，提出了能使變壓器溫升控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的應(yīng)對(duì)措施和建議。

通過(guò)對(duì)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和曲線擬合，張樂(lè)等[15]實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器繞組溫升的不確定度分析。徐蓮環(huán)[16]針對(duì)雙百萬(wàn)特高壓電力變壓器，首先基于TranCalc集成計(jì)算軟件對(duì)變壓器繞組溫升及熱點(diǎn)溫升進(jìn)行了計(jì)算，再通過(guò)建立三維流動(dòng)模型和二維繞組模型，完成了不同軟件下計(jì)算的繞組溫度梯度的對(duì)比與研究。李晶晶等[17]詳述了采用電阻法測(cè)量變壓器繞組溫升的方法及過(guò)程，并運(yùn)用曲線擬合計(jì)算方法和MATLAB編程方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析。

眾多學(xué)者還從影響溫升試驗(yàn)的因素出發(fā)，研究了不同影響因素下變壓器溫升的規(guī)律。于清明[18]根據(jù)電磁場(chǎng)基本理論，以油浸式電力變壓器為例，建立三維有限元模型，采用CFD方法解得全域溫度分布，并得到了在直流偏磁現(xiàn)象下變壓器高壓繞組溫升的分布規(guī)律。翟麗珍等[19]選取三臺(tái)參數(shù)相同的樣機(jī)，利用模擬負(fù)載法完成其在不同低壓繞組風(fēng)道大小、風(fēng)道數(shù)量和風(fēng)道位置下的溫升試驗(yàn)，比較得出了不同繞組風(fēng)道對(duì)溫升將產(chǎn)生不同影響的結(jié)論。

2 變壓器繞組熱點(diǎn)溫度理論研究

2.1 變壓器繞組熱點(diǎn)溫度仿真計(jì)算

李春華等[20]利用傳熱理論和流體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)干式變壓器的繞組熱點(diǎn)溫度分布情況展開(kāi)了一系列的仿真試驗(yàn)與計(jì)算研究，并準(zhǔn)確地計(jì)算出繞組溫度及其分布位置。侯丹等[21]為了能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量繞組溫度的變化，提出了一種基于FBG的繞組熱點(diǎn)測(cè)溫方法。王永強(qiáng)等[22]提出了一種計(jì)算干式變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的三維反傳熱模型，利用共軛梯度法綜合分析出繞組的溫度分布從而獲得其最熱點(diǎn)溫度。

此外，工程師們還探索出了其他測(cè)量熱點(diǎn)溫度的新方法，如：（1）在變壓器的繞組上預(yù)埋光纖測(cè)溫裝置[23-24]；（2）利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算[25-28]。

李樹(shù)卿等[29]通過(guò)構(gòu)建變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的溫度數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該方法的可行性；劉興謀等[30]設(shè)計(jì)了電磁熱耦合變壓器的三維模型，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的熱源和溫度分布，結(jié)合紅外測(cè)溫儀的測(cè)試結(jié)果，比較了理論值與實(shí)際值的誤差程度。李靜等[31]將微分方程解法應(yīng)用到熱點(diǎn)溫度的在線監(jiān)測(cè)上；高鵬等[32]和翟云飛等[33]也采用適用于任意時(shí)變負(fù)載系數(shù)和時(shí)變環(huán)境溫度的差分方程解法，完成了對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度的在線測(cè)量。黃超等[34]在熱電類(lèi)比模型和IEEE導(dǎo)則推薦的熱點(diǎn)溫升模型的基礎(chǔ)之上，充分考慮輔助變量的選擇，改善了傳統(tǒng)的熱電類(lèi)比模型，建模并驗(yàn)證了該模型較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

2.2 變壓器溫度場(chǎng)的研究

溫度場(chǎng)的建立更有利于全面分析變壓器繞組的溫度分布特性[35-36]。黃嬌[37]根據(jù)變壓器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，利用FLUENT軟件對(duì)自然換熱條件下的變壓器溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得出變壓器在縱向和橫向的溫度變化趨勢(shì)及內(nèi)部最熱點(diǎn)的位置。楊碩[38]采用Comsol對(duì)S11-2000/10/0.4型油浸式變壓器內(nèi)自然和強(qiáng)迫油循環(huán)下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析比較。薛飛等[39]應(yīng)用傳熱學(xué)和流體力學(xué)原理建立了流固耦合的變壓器溫度場(chǎng)有限元分析模型，并采用ANSYS軟件計(jì)算了變壓器內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，確定了熱點(diǎn)的溫度及位置。

2.3 變壓器冷卻方式對(duì)溫升的影響

變壓器的冷卻方式對(duì)繞組的溫升影響很大[40-41]。吳楠楠等[42]對(duì)10 kV配電變壓器進(jìn)行了改造，研制了一套可靈活調(diào)節(jié)油流量、改變冷卻器垂直布置位置及水平布置位置的模擬試驗(yàn)裝置，通過(guò)Comsol軟件搭建相應(yīng)的仿真模型并進(jìn)行熱學(xué)仿真分析，研究了散熱器中心高度對(duì)變壓器溫度場(chǎng)分布的影響。王珊珊等[43]用有限元熱—流耦合仿真的方法計(jì)算了不同冷卻條件下的變壓器溫升，研究了自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種冷卻條件下變壓器繞組熱點(diǎn)的溫度和位置，總結(jié)了冷卻條件對(duì)變壓器溫升的影響情況。

3 結(jié)語(yǔ)

變壓器繞組溫度尤其是繞組熱點(diǎn)溫度已經(jīng)成為影響變壓器絕緣壽命的決定性因素，其異常變化是變壓器安全運(yùn)行隱患的重要表現(xiàn)形式。目前，國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)集中在變壓器繞組的溫度在線動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置及數(shù)學(xué)模型方面，能夠?qū)崟r(shí)提供變壓器繞組的熱點(diǎn)及位置信息，從而為變壓器繞組溫度的在線故障報(bào)警以及指導(dǎo)變電站運(yùn)行、維護(hù)與檢修工作提供必要的理論與實(shí)踐保障，這將產(chǎn)生重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。