尤飄飄 顧勝堅,2 王春吉

（ 1、上海電力大學電子與信息工程學院，上海201306 2、杭州錢江電氣集團，浙江 杭州311243）

變壓器是傳輸電能的重要設(shè)備之一， 其運行狀況影響著整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。 我國是世界上干式變壓器產(chǎn)銷量最大的國家，并且隨著環(huán)氧澆注干式變壓器的各項優(yōu)點日益凸顯， 干式變壓器的應(yīng)用也日益廣泛。 隨著各種工業(yè)自動化設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量增多，半導(dǎo)體、紡織等精密設(shè)備的加工成產(chǎn)，諧波帶來的經(jīng)濟效益損失問題日益凸顯。 諧波可大大增加變壓器的附加損耗，產(chǎn)生額外溫升，加快變壓器絕緣樹脂老化，而干式變壓器內(nèi)部熱性能表現(xiàn)是關(guān)系其穩(wěn)定運行的主要限制因素[1-3]。 隨著有限差分思想的提出以及有限元軟件的開發(fā)，人們對物體內(nèi)部溫度場數(shù)值計算也越來越準確，對變壓器內(nèi)部發(fā)熱和傳熱機理掌握的也越來越深刻。 因此，本文基于Icepak 熱仿真軟件研究諧波下變壓器熱性能表現(xiàn)，可為變壓器健康狀態(tài)的監(jiān)測與設(shè)計提供參考，切實保障電網(wǎng)運行的可靠性具有理論研究和現(xiàn)實意義。

1 干式變壓器溫度場熱源

變壓器運行時產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)化為熱量，使其溫度升高，熱量以傳導(dǎo)、對流和輻射的方式向周圍擴散，當發(fā)熱和散熱達到平衡時，各部分溫度將趨于穩(wěn)定，則變壓器運行時產(chǎn)生的損耗即為溫度場仿真的熱載荷值。 一般情況下， 電網(wǎng)的諧波電壓滿足公用電網(wǎng)諧波電壓標準，畸變率小，在研究諧波損耗時忽略諧波電壓對空載損耗的影響。 諧波電流會使變壓器產(chǎn)生附加有功損耗，包括鐵芯雜散損耗POSL、繞組電阻損耗P2IR和渦流損耗PEC。在IEC 61378-2 方法的基礎(chǔ)上， 通過測量工頻下的負載損耗P1、繞組中的渦流損耗PEC.1和鐵芯的雜散損耗POSL.1，各次諧波損耗。

式中：I1為工頻電流有效值；THDh為第h 次諧波電流畸變率；Ih為第h 次諧波電流的有效值；fh為第h 次諧波頻率；Rh為第h 次諧波下變壓器繞組的等效電阻；PEC.1通常取額定狀態(tài)下負載損耗的13%；POSL.1通常取額定狀態(tài)下負載損耗的7%。

2 干式變壓器熱仿真數(shù)值模擬

干式變壓器散熱過程的熱量傳遞包括：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，并且大多采用自然換流的模式。Icepak 求解過程調(diào)用的是Fluent 求解器，計算過程中滿足三大定律，即質(zhì)量守恒定律（ 式4）、動量守恒定律（ 式5、6、7 為x、y、z 方向的動量守恒方程）和能量守恒定律（ 式8）[3-6]。在Icepak 瞬態(tài)溫度場仿真時，還需設(shè)置溫度監(jiān)控點以及殘差收斂標準， 經(jīng)求解可得到變壓器瞬態(tài)情況的溫度分布云圖以及各部分溫度隨時間變化曲線圖。

其中：u、v、w 分別是x、y、z 散熱方向的速度分量，m/s；ρ 為流體密度，kg/m3；E 為流體總能量，J/kg；SU、SV、SW為廣義熱源，Sh為體熱源；t 為時間，S；h 為流體比焓，J/kg；k 為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

3 仿真分析

干式變壓器三維仿真模型包括高、低壓繞組及鐵芯。低壓繞組由銅箔繞制，高壓繞組采用分段銅線繞制，共分為5 分段。諧波畸變率分別設(shè)為10%，30%，50%，70%，具體參數(shù)見表1 所示。環(huán)境溫度設(shè)為20℃，總仿真時間為22000s，設(shè)置將B 相軸向中點設(shè)置成為監(jiān)控點，求解精度R 達到10-3級別計算才為收斂，經(jīng)過Icepak 迭代收斂計算，得到監(jiān)控點殘差曲線圖見圖1，22000s 時不同諧波畸變率下變壓器整體溫度分布云圖見圖2。

由圖1，可知當?shù)綌?shù)為250 時，殘差曲線收斂；由圖2 ，B 相繞組溫度明顯高于其他兩相。為研究高、低壓繞組沿軸向高度與所含諧波畸變率的關(guān)聯(lián)性，分別取高、低壓繞組軸向從下往上的225 個等距離點作為路徑，對應(yīng)溫度變化曲線如圖3、4所示。由圖可知，高壓繞組與低壓繞組的溫度都沿軸向逐漸增加。特殊地，高壓繞組溫度曲線由四個等距離下尖峰分成5 段，這主要由于高壓繞組采用5 分段方式繞制；當畸變率增大后，繞組的熱源值增大、溫升增高，而空氣導(dǎo)熱系數(shù)較低，所以分段繞組的溫度與空氣的溫度差會增大，尖峰值也趨于增大。

4 結(jié)論

本文利用Icepak 熱仿真軟件研究了諧波下干式變壓器瞬態(tài)溫度場表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)熱點溫度隨諧波畸變率的升高而提高，并且當干式變壓器高壓繞組采用5 分段時，畸變率增大后，分段繞組的溫度與空氣的溫度差會增大，尖峰值也趨于增大，因此容易使絕緣部分受熱不均，加速絕緣材料的老化。

表1 不同畸變率下各次諧波電流畸變率數(shù)據(jù)

圖1 監(jiān)控點瞬態(tài)溫度計算殘差曲線

圖2 不同工況下變壓器溫度分布云圖

圖3 不同工況下B 相高壓繞組軸向溫度曲線圖

圖4 不同工況下B 相低壓繞組軸向溫度曲線圖