梁小云
摘要:油溫是表征油浸式感應(yīng)調(diào)壓器散熱效果和絕緣性能的重要指標(biāo),本文就某實(shí)驗(yàn)室油浸式感應(yīng)調(diào)壓器在空載運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)油溫超溫問(wèn)題進(jìn)行了分析,一方面,由于鐵芯硅鋼片片間絕緣損壞,造成表面短路使得渦流損耗急劇增加;另一方面,變壓器油流速較慢,因熱對(duì)流產(chǎn)生的散熱效果較差,散熱片的油循環(huán)速率較緩。通過(guò)分析并基于matlab仿真證實(shí)了損耗和散熱是引起油溫超溫的主要原因。
關(guān)鍵詞: 感應(yīng)調(diào)壓器;油溫超標(biāo);渦流損耗;熱對(duì)流。
0引言
油浸式感應(yīng)調(diào)壓器油箱中的變壓器油起著絕緣、降溫和滅弧作用,而油浸式感應(yīng)調(diào)壓器一般都采用A類(lèi)絕緣,這就要求感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)頂層油溫不得超過(guò)85℃,否則會(huì)加速其絕緣老化速度,嚴(yán)重降低絕緣壽命[1],從而帶來(lái)安全隱患。為此,在感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂層油溫并設(shè)置超溫預(yù)警,一旦其在負(fù)載運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)超溫預(yù)警,能確保及時(shí)退出運(yùn)行。
某電源系統(tǒng)中的8000kVA超大容量感應(yīng)調(diào)壓器型號(hào)為T(mén)YSA-8000/10.5,在空載工況下運(yùn)行20min就觸發(fā)頂層油溫超溫預(yù)警(70℃),其超溫時(shí)感應(yīng)調(diào)壓器自身溫度曲線如圖1所示。
1感應(yīng)調(diào)壓器的電氣原理及傳熱過(guò)程分析
1.1感應(yīng)調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)
如圖2所示,感應(yīng)調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)可分為主體、冷卻油箱及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分。其中,主體部分在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于繞線式異步電動(dòng)機(jī),只是其定、轉(zhuǎn)子繞組除了磁場(chǎng)的耦合外,還有電的聯(lián)系。鐵芯的主要構(gòu)件硅鋼片采用沖片疊壓工藝,為降低電磁噪聲,機(jī)身采用整體鑄鐵結(jié)構(gòu);冷卻油箱在結(jié)構(gòu)上與一般電力變壓器的基本相仿,周?chē)纳崞亲钪饕纳峤Y(jié)構(gòu),變壓器油可通過(guò)散熱片實(shí)現(xiàn)循環(huán)自冷;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)和電動(dòng)兩用的蝸輪、蝸桿、傳動(dòng)電機(jī)和減速器裝置,其作用是卡住轉(zhuǎn)子,使其只能在0°~180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
1.2 感應(yīng)調(diào)壓器的調(diào)壓原理
TM10感應(yīng)調(diào)壓器在能量轉(zhuǎn)換關(guān)系方面類(lèi)似于異步電動(dòng)機(jī)與變壓器的組合體[2],其電氣原理圖如圖3中的(a)圖所示,由于三相繞組結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng),為便于分析,下面以A 相為例進(jìn)行具體闡述。如(b)圖所示,定、轉(zhuǎn)子繞組采用降耦星形連接,其中一次串聯(lián)繞組W1c和一、二次公共繞組Wg置于定子上,二次串聯(lián)繞組W2c置于轉(zhuǎn)子上。正常工作時(shí),當(dāng)W1c和Wg接入一次電壓U1(10kV)后,將在定、轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速切割繞組W2c,從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2c,此時(shí)借助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)角位移(最大為180°電角度),從而改變E2c與Ug之間的電角度θ,使負(fù)載電壓實(shí)現(xiàn)300V~10.5kV的無(wú)級(jí)、平滑調(diào)節(jié)。
依圖(c),空載輸出電壓U20計(jì)算公式為:
1.3 感應(yīng)調(diào)壓器熱源分析
感應(yīng)調(diào)壓器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的有功損耗以熱能的形式發(fā)出導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高,而感應(yīng)調(diào)壓器的內(nèi)部熱源主要為鐵芯和繞組,其產(chǎn)生的損耗分別為鐵耗和銅耗,故本文主要研究鐵芯和繞組這兩大熱源來(lái)分析該感應(yīng)調(diào)壓器產(chǎn)熱情況。
1.3.1 鐵芯熱源
感應(yīng)調(diào)壓器鐵芯產(chǎn)生的損耗統(tǒng)稱(chēng)為鐵耗(P0),主要由磁滯損耗(Pc)和渦流損耗(Pw)兩部分組成[1]。其中,磁滯損耗是由于鐵芯在反復(fù)磁化的過(guò)程中因磁滯現(xiàn)象而消耗的能量,計(jì)算公式如式3所示:
渦流損耗是由于抵抗磁通的變化,所產(chǎn)生感應(yīng)電流消耗的能量[1],計(jì)算公式如式4所示:
由公式3、4可知,鐵心熱源的產(chǎn)熱情況與硅鋼片的材質(zhì)和加工工藝等息息相關(guān),硅鋼片的優(yōu)劣直接決定了運(yùn)行時(shí)鐵芯發(fā)熱量的高低。
1.3.2 繞組熱源
感應(yīng)調(diào)壓器銅耗是由于電流流過(guò)感應(yīng)調(diào)壓器繞組時(shí)因繞組發(fā)熱而產(chǎn)生的損耗,計(jì)算公式如5、6所示:
由式5可知,繞組熱源的產(chǎn)熱情況相對(duì)固定,在環(huán)溫和負(fù)載一定的情況下只與繞阻阻值的大小有關(guān)。
1.4 感應(yīng)調(diào)壓器傳熱過(guò)程分析
感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí),熱源開(kāi)始產(chǎn)熱,感應(yīng)感應(yīng)調(diào)壓器本體迅速升溫,熱能以傳導(dǎo)的方式釋放到油箱中,熱源附近的變壓器油因局部溫度升高而使其密度變小,此時(shí)由于油箱中溫度分布不均,變壓器油因密度差異開(kāi)始流動(dòng),密度小的不斷上升,從而頂層油溫持續(xù)升高。此時(shí),油箱內(nèi)部一方面以熱對(duì)流的形式交換熱量,一方面通過(guò)散熱片進(jìn)行循環(huán)散熱,將熱量傳導(dǎo)到外界空氣中。這樣,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,油箱內(nèi)部將達(dá)到熱平衡,油溫僅在小范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見(jiàn),油浸自冷感應(yīng)感應(yīng)調(diào)壓器的熱傳遞過(guò)程主要涉及到三種傳熱方式,分別是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。相比之下,感應(yīng)調(diào)壓器中的熱對(duì)流對(duì)油溫的影響最大,所以本文從熱對(duì)流過(guò)程入手分析。
依圖4(a)圖所示,大致反映了油箱內(nèi)相對(duì)位置與油溫的關(guān)系[1]。圖中,A為油箱頂層油溫,C為油箱底層油溫,B為油箱內(nèi)平均油溫,可見(jiàn),在感應(yīng)調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)頂層油溫最高,因此要時(shí)刻監(jiān)視頂層油溫,只要確保頂層油溫不超過(guò)限值,油溫便不會(huì)超溫。(b)圖則大致反映了油溫變化過(guò)程,首先油溫會(huì)快速升高,短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高溫度,然后上升速率會(huì)趨于平緩,最后則達(dá)到熱平衡,油溫基本維持不變。
2感應(yīng)調(diào)壓器在空載運(yùn)行條件下的損耗分析
2.1.1 空載損耗分析
理論上,由于空載電流較小,在一次繞組中產(chǎn)生的電阻損耗可忽略不計(jì),所以空載輸入功率可認(rèn)為基本上是供給鐵芯損耗的。通過(guò)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)調(diào)壓器的空載電流為46A,而空載損耗為61kW。鐵耗產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式在使鐵芯升溫的同時(shí)大部分釋放到了油箱中,使油溫升高。根據(jù)公式7,可以計(jì)算出空載運(yùn)行時(shí)在未達(dá)到熱平衡之前,每小時(shí)油溫升高的度數(shù)。
即在未達(dá)到熱平衡時(shí)的快速升溫階段,假如不考慮散熱,空載運(yùn)行1h油溫將上升26.7℃,實(shí)際上,根據(jù)圖1中的(b)圖可知,油溫1h只上升了22℃,說(shuō)明空載運(yùn)行時(shí)在未達(dá)到熱平衡時(shí)的快速升溫階段,通過(guò)內(nèi)部熱對(duì)流及散熱片散熱每小時(shí)僅降低油溫4.7℃。
2.1.3 Matlab仿真分析
根據(jù)感應(yīng)調(diào)壓器測(cè)量得到的繞組參數(shù)值(一、二次繞組阻值均為0.02Ω,0.30H),利用Matlab中的Simulink仿真平臺(tái)搭建模塊進(jìn)行仿真。同時(shí),為了便于仿真分析,假設(shè)定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相同,且相對(duì)電角度為180°,此時(shí)公共繞組與二次繞組同軸,空載輸出電壓最大。圖6~圖9為仿真電路及波形數(shù)據(jù)。
仿真結(jié)果分析:通過(guò)仿真,可知TM10空載運(yùn)行時(shí)空載電流為42A,空載損耗為60.851kW。這與測(cè)量值基本相同,說(shuō)明TM10仿真模型與實(shí)際大致相符。
4 結(jié)論
本文通過(guò)研究8000kVA/10kV感應(yīng)調(diào)壓器的空載油溫超標(biāo)問(wèn)題,得出結(jié)論:大容量感應(yīng)調(diào)壓器空載油溫超溫是由空載損耗過(guò)大引起的,而空載損耗往往是由鐵耗決定的;對(duì)于油浸自冷感應(yīng)調(diào)壓器,負(fù)載運(yùn)行時(shí)油的流速慢,熱對(duì)流及散熱片循環(huán)冷卻產(chǎn)生的散熱不好。是空載損耗溫度超溫的主要原因。
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