李春，劉紀(jì)堂，章浩，林碧仁，黎進(jìn)光，許云宇，劉剛

(1．廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2．華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

油浸式電力變壓器是電網(wǎng)中的核心設(shè)備，其可靠性直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全[1-2]。變壓器的負(fù)載能力和使用壽命主要取決于變壓器的熱特性，即變壓器內(nèi)部向外的散熱能力，過高的內(nèi)部溫度會(huì)加速變壓器絕緣性能的劣化[3]。近年來，隨著我國供電需求的增加，變壓器的容量也在增加，導(dǎo)致變壓器漏磁場產(chǎn)生的損耗也隨之增大，變壓器內(nèi)部發(fā)熱增加[4-5]。此外，我國電網(wǎng)中運(yùn)行時(shí)間超過20年的變壓器數(shù)量較多，這些變壓器的冷卻系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)陳舊、冷卻效率低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了變壓器的散熱效果[6]。因此，改進(jìn)在運(yùn)變壓器冷卻系統(tǒng)，降低變壓器油溫升，對于保證變壓器的安全運(yùn)行具有重要意義[7-8]。

片式散熱器是油浸自冷式電力變壓器的主流散熱器[9-10]，當(dāng)前采取提高片式散熱器散熱效率的體外輔助冷卻降溫措施主要有[11]：①機(jī)械增強(qiáng)通風(fēng)法——在散熱器的側(cè)邊或者下方加裝軸流風(fēng)機(jī)，加快散熱片間隙中冷卻空氣的流速[12]，從而更多、更快地帶走散熱器散發(fā)的熱量，有一定的降溫效果，但是軸流風(fēng)機(jī)噪聲較大；②噴淋法——將自來水噴淋在變壓器的散熱片上[13]，利用水的流動(dòng)帶走散熱器的熱量，降溫效果較好且安裝方便，現(xiàn)場適用性強(qiáng)；③霧化冷卻法——加壓后經(jīng)噴嘴霧化噴出微細(xì)水汽霧滴，這大大增加了霧滴與散熱片的接觸面積，水霧吸熱蒸發(fā)汽化后帶走熱量，降溫效果明顯，但是霧化裝置造價(jià)較高，且制作麻煩。因此，綜合適用性和造價(jià)的考慮，安裝水管噴淋的方法在變壓器現(xiàn)場最具備實(shí)用價(jià)值。

本文首先簡單闡述變壓器的傳熱機(jī)理、豎壁降膜流動(dòng)的傳熱傳質(zhì)過程以及射流撞壁形成液膜機(jī)理，作為變壓器散熱效率改善方法的理論基礎(chǔ)；隨后，搭建豎壁降膜模擬實(shí)驗(yàn)平臺，得到最佳的噴淋孔間距與最佳入射角；最后，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)普通噴淋方案和改進(jìn)噴淋方案的對比實(shí)驗(yàn)，并搭建110 kV油浸自冷式變壓器散熱器進(jìn)出油口溫度監(jiān)測平臺，驗(yàn)證改進(jìn)噴淋方案的降溫效果。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 油浸自冷式變壓器的傳熱過程

在變壓器油箱內(nèi)部，繞組和鐵心在運(yùn)行過程中產(chǎn)生損耗而發(fā)熱，以熱傳導(dǎo)、熱對流的方式加熱周圍的變壓器油[14-15]，受熱以后的變壓器油密度減小，從而在油箱內(nèi)產(chǎn)生了自下而上的流動(dòng)[16]。熱油在重力的作用下從上集油管流入散熱片的各個(gè)油道，片式散熱器以熱對流和熱輻射的方式與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換[17]，熱油經(jīng)冷卻后將會(huì)從下集油管流回變壓器油箱，圖1即為油浸自冷式變壓器油循環(huán)路徑。

圖1 油浸自冷式變壓器油循環(huán)路徑Fig.1 Oil circulation path of ONAN transformer

可見，片式散熱器在變壓器的整個(gè)降溫過程中起到了重要的作用。變壓器油在片式散熱器中的傳熱過程如圖2(a)所示，可以分為：①變壓器油與片式散熱器內(nèi)壁的對流換熱；②片式散熱器的內(nèi)壁與外壁的熱傳導(dǎo)；③片式散熱器外壁與周圍空氣的對流換熱以及輻射換熱。將上述傳熱過程以熱阻形式表示，如圖2(b)所示。圖2中：Toil為變壓器油溫度；Tw1為片式散熱器內(nèi)壁溫度；Tw2為片式散熱器外壁溫度；Tair為空氣溫度；hoil為變壓器油側(cè)對流換熱系數(shù)；hair為變壓器空氣側(cè)對流換熱系數(shù)；δ為散熱片的厚度；λ為散熱片的熱導(dǎo)率；A為換熱表面積。

圖2 變壓器油在片式散熱器中的傳熱過程及其熱阻分析Fig.2 Heat transfer process and thermal resistance analysis of transformer oil in panel type radiator

由圖2可知，片式散熱器傳熱的總熱阻[17]

(1)

可得片式散熱器總傳熱系數(shù)

(2)

由牛頓冷卻公式可以計(jì)算出散熱器的換熱量

(3)

式中ΔT為換熱溫差，即散熱器中油溫與空氣溫度兩者之差。

綜合式(1)—(3)，可以看出：①變壓器散熱器長期受到酸、堿、灰塵等條件的作用，在散熱器壁面形成了“污垢熱阻”，換熱效果惡化；②當(dāng)油浸自冷式變壓器處在高溫高負(fù)荷時(shí)期，居民用電量增加，而散熱器外壁與環(huán)境溫度溫差減小，空氣側(cè)的對流換熱量減小。綜上可見，當(dāng)內(nèi)部發(fā)熱量增加時(shí)，散熱器卻無法將熱量有效地散發(fā)出去，容易導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)油溫過高的問題[18]；因此，研究油浸自冷式電力變壓器散熱效率的提升措施具有重要的實(shí)際意義。

1.2 豎壁降膜流動(dòng)的熱傳遞過程

水從PVC管件的噴淋孔噴出，沿著豎直放置片式散熱器的外壁流動(dòng)，可將噴淋降溫的傳熱過程等同為豎壁降膜流動(dòng)的熱傳遞過程。在片式散熱器的內(nèi)壁有變壓器油流過，而外壁面上有液膜覆蓋，在重力的作用下液膜沿著片式散熱器的外壁面向下流動(dòng)，受熱的空氣以一定的速度豎直掠過液膜表面，與液膜發(fā)生熱質(zhì)交換。因此豎壁降膜流動(dòng)的換熱過程[19]可分為：

a)熱量從變壓器油通過片式散熱器內(nèi)壁面導(dǎo)熱傳遞到散熱片的外壁面。

b)當(dāng)散熱片外壁水膜不完全覆蓋(即存在干斑)時(shí)，液膜和干斑分布示意圖如圖3的A向視圖所示，此時(shí)，散熱片外壁一部分與空氣接觸，另一部分被水膜覆蓋。部分熱量Qg通過干斑與空氣對流換熱帶走，剩余熱量Qw通過對流換熱傳遞至水膜，即散熱器的總換熱量

Q=Qw+Qg，

(4)

(5)

式(5)中：hg為干斑的換熱系數(shù)；fw為液膜覆蓋率；Tai、Tao為空氣的進(jìn)出口溫度。

c)如圖3的B向視圖所示，水膜與散熱片外壁面的對流換熱轉(zhuǎn)化為3個(gè)部分[19]：①水膜與空氣之間的對流換熱(換熱量為Q3)；②空氣與水膜的交界面處，水膜以汽化潛熱的方式與空氣進(jìn)行熱傳質(zhì)(換熱量為Q2)；③由于水膜未完全蒸發(fā)，剩余水膜沿著散熱片外壁向下流動(dòng)，水膜吸收壁面的熱量轉(zhuǎn)化為水膜的內(nèi)能(換熱量為Q1)，引起水膜溫度的變化。即：

Qw=Q1+Q2+Q3，

(6)

(7)

(8)

Q1=cpwm(Two-Twi).

(9)

式(7)—(9)中：Twi、Two為水的進(jìn)出口溫度；hm為傳質(zhì)系數(shù)；γ為汽化潛熱；dai、dao為空氣的進(jìn)出口含濕量；dw為氣液交界面含濕量；cpw為水的定壓比熱容；m為水的質(zhì)量流率。

圖3 豎壁降膜流動(dòng)的熱傳遞過程Fig.3 Heat transfer process of falling film flow on vertical wall

根據(jù)式(4)—(9)，水膜吸收來自散熱片外壁的絕大部分熱量，同時(shí)還在交界面處以相變潛熱方式攜帶大量的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。可見，水膜在整個(gè)豎壁降膜流動(dòng)傳熱過程中起到了非常重要的作用；因此，采用水管噴淋降溫的關(guān)鍵就是提高水膜在散熱片外壁的覆蓋范圍，即后續(xù)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)目的為提高散熱片外壁的水膜覆蓋率。

1.3 射流撞壁形成液膜的過程

水從PVC水管件的噴淋孔中噴出，并在散熱片壁上形成液膜的過程，可以采用射流撞壁形成液膜的理論進(jìn)行分析。冷卻水在PVC管件中流動(dòng)，經(jīng)過噴淋孔時(shí)在水壓作用下形成射流，以一定的射流入射角(射流方向與散熱片壁面的夾角，圖4中θ即為射流入射角)射向散熱片壁，形成的液膜沿壁面向下流動(dòng)帶走散熱器的熱量。

影響射流的冷卻液膜覆蓋情況的因素較多，包括射流入射角、射流速度、射流噴淋孔間距和壁面粗糙度等，而這些因素中射流入射角是影響液膜覆蓋情況最明顯的因素之一。射流入射角決定了射流撞擊散熱片壁面時(shí)的法向速度和射流從噴淋口處直至撞擊點(diǎn)間的距離。若入射角過大，射流撞擊到壁面后會(huì)發(fā)生液滴飛濺以及反彈的現(xiàn)象，降低冷卻效果；入射角過小，射流出口后的自由行程過大，影響液膜的覆蓋情況[20-21]。

此外，噴淋孔間距也對液膜的覆蓋情況有一定影響。通過減小相鄰噴淋孔之間的間距可以增加噴淋孔數(shù)，進(jìn)而改善液膜的鋪展情況；但是孔數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致每個(gè)噴淋孔的壓力過小，使得射流速度過小，影響液膜的鋪展。在片式散熱器中安裝PVC水管件的實(shí)際情況中，射流角度和噴淋孔間距是最容易調(diào)節(jié)的參數(shù)；因此，提高散熱片壁面的液膜覆蓋率的關(guān)鍵在于尋找最佳的射流入射角和噴淋孔間距。

2 模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

為了對比不同射流入射角下和不同噴淋孔間距下冷卻液膜的覆蓋情況，本文搭建了豎壁降膜流動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺，如圖4所示。

圖4 豎壁降膜流動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺Fig.4 Simulation experimental platform of falling film flow on vertical wall

實(shí)驗(yàn)平臺由刷漆后的鋼板(模擬片式散熱器外壁)、大電流發(fā)生器(模擬發(fā)熱源)、有機(jī)玻璃、流量計(jì)(控制噴淋量)、PVC水管組件以及紅外熱成像儀等儀器設(shè)備構(gòu)成。由于整體實(shí)驗(yàn)臺的材質(zhì)采用不透紅外光的有機(jī)玻璃，在部分區(qū)域用保鮮膜代替有機(jī)玻璃以便拍攝，如圖4中虛線方框所示。本實(shí)驗(yàn)可通過分析紅外熱成像儀捕獲的溫度場并結(jié)合圖像處理方式，計(jì)算出水膜的覆蓋范圍。

2.2 不同噴淋孔間距的液膜覆蓋率對比分析

根據(jù)1.2節(jié)分析可得，液膜在整個(gè)豎壁降膜流動(dòng)傳熱過程中起到了非常重要的作用，且PVC水管的噴淋孔間距對液膜覆蓋率有一定影響，為此，本文通過模擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行不同噴淋孔間距下的噴淋實(shí)驗(yàn)，對比分析噴淋孔數(shù)為6(孔間距為3.4 cm)、9(孔間距為2.1 cm)和18(孔間距為1 cm)下的液膜覆蓋情況。在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過流量計(jì)將噴淋量控制在0.2 L/min，并且保持射流入射角度為60°。與此同時(shí)，通過大電流發(fā)生器給涂漆后的鋼板通420 A的電流(此電流值為內(nèi)部損耗全部通過散熱片散發(fā)等效計(jì)算而來)，待鋼板溫度基本維持不變時(shí)，開啟噴淋裝置。待鋼板表面液膜穩(wěn)定后，使用紅外熱成像儀捕捉散熱片的溫度場，所捕捉的3種噴淋孔間距下的溫度場如圖5所示。為了定量比較不同方案的液膜覆蓋率，本文借助PS軟件分別計(jì)算液膜覆蓋區(qū)和散熱片外壁面的像素點(diǎn)數(shù)，兩者的比值就是散熱片的液膜覆蓋率。計(jì)算所得的液膜覆蓋率標(biāo)注在圖5中。

圖5 不同噴淋孔間距下的鋼板溫度場熱成像Fig.5 Thermal imaging of steel plate temperature field under different spray holes distances

由圖5可以看出，隨著噴淋孔間距的減小，液膜覆蓋率也隨著變大：在噴淋孔間距為3.4 cm時(shí)的液膜覆蓋率僅為8.56%；當(dāng)噴淋孔間距減小到1 cm后液膜覆蓋率提升至12.82%，相比之下提高了50%的液膜覆蓋率。受限于裝置的尺寸，不能在PVC水管上打過多的噴孔，因此模擬實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)噴淋孔間距為1 cm。

2.3 不同射流入射角的液膜覆蓋率對比分析

根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論，將PVC水管的噴淋孔間距調(diào)整為最佳間距1 cm(噴淋孔數(shù)18)，在保持噴淋孔數(shù)為18的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同射流入射角度下的噴淋實(shí)驗(yàn)，對比分析入射角度為30°、45°、60°和90°下的液膜覆蓋情況。使用紅外熱成像儀捕捉散熱片壁面的溫度場，所捕捉的幾種射流入射角下的溫度場如圖6所示。不同入射角度下的液膜覆蓋率同樣采用PS軟件計(jì)算，結(jié)果標(biāo)注在圖6中。

圖6 不同射流入射角下的鋼板溫度場熱成像Fig.6 Thermal imaging of steel plate temperature field under different jet incident angles

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著入射角度的增大，液膜覆蓋率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢：在入射角為30°時(shí)，由于自由行程較大，液膜鋪展不開，液膜覆蓋率僅為14.13%；在入射角提高至45°時(shí)，液膜的覆蓋率提高至16.04%，原因是提高入射角可以減小射流的自由行程，使得液膜能夠充分鋪展開；繼續(xù)提高入射角至60°時(shí)，液膜覆蓋率開始減小，原因是入射角過大會(huì)出現(xiàn)液滴飛濺及反彈的現(xiàn)象，導(dǎo)致液膜覆蓋情況變差；當(dāng)入射角提高至90°時(shí)，由于濺射現(xiàn)象嚴(yán)重，液膜覆蓋率降低至10.42%。

可見，相比于入射角為90°(水平噴淋)的情況，入射角為45°可提高60%左右的液膜覆蓋率；因此，通過調(diào)節(jié)PVC水管組件，使得射流入射角為45°，可以有效地提高液膜覆蓋率，從而提升散熱片散熱效果。

3 噴淋裝置實(shí)際運(yùn)用分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

a)實(shí)驗(yàn)對象的選?。簩?shí)驗(yàn)選取東莞局某變電站的110 kV油浸自冷式電力變壓器作為研究對象，實(shí)驗(yàn)變壓器所采用的片式散熱器組數(shù)為14組(高、低壓側(cè)各7組)，每組散熱器的片數(shù)為24片。

b)PVC水管方案設(shè)計(jì)：在PVC水管上均勻地鉆出一定數(shù)量的噴淋孔，通過三通、直通等PVC管配件將其組裝。PVC水管的具體設(shè)計(jì)方案見表1，PVC水管安裝如圖7(a)、(b)所示。

表1 PVC水管的設(shè)計(jì)方案Tab.1 Design scheme of PVC water pipes

圖7 PVC水管安裝Fig.7 PVC water pipe installation

c)散熱器進(jìn)出油口溫度監(jiān)測平臺：本文選用Pt59鉑熱電阻無線溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測14組散熱器進(jìn)出油口溫度。首先，在散熱器上、下集油管的上表面涂抹一定量的導(dǎo)熱硅膠；隨后，將無線溫度傳感器的測溫探頭平放在導(dǎo)熱硅膠的上方；最后，用耐高溫膠帶將測溫探頭纏繞。無線溫度傳感器的安裝如圖8所示。

圖8 無線溫度傳感器安裝(散熱器進(jìn)、出油口)Fig.8 Wireless temperature sensor installation (radiator oil inlet and outlet)

3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證散熱器加裝噴淋水管措施對變壓器的降溫效果，并對比普通淋水方案與改進(jìn)淋水方案的效果差異，設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方案見表2，其中實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3同時(shí)開展。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Experimental scheme

變壓器油溫和繞組溫度受變壓器負(fù)荷、冷卻方式等因素的影響[22]，因此分析不同噴淋方案對變壓器油溫和繞組溫度影響時(shí)，需要保證變壓器的負(fù)荷情況相近。2019年7月17日(散熱器未淋水)和2019年7月18日(散熱器淋水)的負(fù)載曲線如圖9所示。

圖9 散熱器淋水與未淋水時(shí)負(fù)載電流值對比Fig.9 Comparison of load current when the radiator is watered and not watered

由圖9可知，實(shí)驗(yàn)變壓器在開展不同實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，其負(fù)荷條件接近，因此可忽略實(shí)驗(yàn)期間變壓器的負(fù)荷差異對結(jié)果的影響。

3.3 結(jié)果分析

由于傳感器所測得高壓側(cè)與低壓側(cè)的每組散熱器進(jìn)出口油溫存在差異，在后續(xù)分析時(shí)，計(jì)算出各側(cè)散熱器(每側(cè)7組散熱器)的進(jìn)出口油溫平均值。

同時(shí)，本文重點(diǎn)關(guān)注不同實(shí)驗(yàn)方案的各側(cè)散熱器的進(jìn)出口油溫的平均值相對環(huán)境溫度的溫差。圖10(a)、(b)即為實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3分別監(jiān)測得到的高、低壓側(cè)散熱器進(jìn)油口溫度平均值Tia與出口油溫平均值Toa相對環(huán)境溫度Tamb的溫差曲線。

由圖10(a)、(b)可以看出，在淋水裝置開啟一段時(shí)間后，相比淋水裝置未開啟的情況，散熱器的進(jìn)出口油溫平均值與環(huán)境溫度的溫差有了明顯的降低。

圖10 不同實(shí)驗(yàn)方案的散熱器平均溫差對比Fig.10 Comparison of average temperature difference of radiators with different experimental schemes

PVC噴淋水管從噴淋孔中噴出低于環(huán)境溫度的冷水，冷卻水在重力的作用下在豎直的散熱片外壁降膜流動(dòng)。隨著噴淋的不斷進(jìn)行，散熱片外壁面會(huì)形成水膜區(qū)和干斑區(qū)。從式(2)與式(3)可以看出，水的自然對流換熱系數(shù)相比空氣的自然對流換熱系數(shù)大，相對干斑區(qū)，水膜區(qū)能攜帶走散熱片外壁面更多的熱量；因此，與自然空氣冷卻相比，加裝淋水裝置后的變壓器整體溫度更低。同時(shí)，根據(jù)2.2—2.3節(jié)所得的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相比于普通噴淋裝置，改進(jìn)的噴淋裝置通過降低噴淋孔間距以及改變噴淋入射角來提高片式散熱器外壁的液膜覆蓋率。根據(jù)式(4)—(9)可得，改進(jìn)的噴淋裝置提高了水膜區(qū)攜帶的熱量，進(jìn)而提高從片式散熱器外壁傳遞出去的熱量。經(jīng)計(jì)算，相較未淋水方案，普通噴淋方案與改進(jìn)噴淋方案的散熱器出口油溫的降溫效果分別9.2 K和11.2 K，改進(jìn)噴淋裝置降溫效果更加顯著，提高了2 K。

由式(3)可知，較低的散熱片外壁溫度使得散熱片油道內(nèi)的變壓器油溫與散熱片壁溫的溫差增大，增大了變壓器油與散熱器壁對流換熱量，進(jìn)而降低了散熱器內(nèi)部油道中變壓器油的溫度。根據(jù)變壓器油循環(huán)路徑，油箱內(nèi)部的繞組和鐵心與變壓器油的熱交換更劇烈，經(jīng)計(jì)算，繞組溫度計(jì)[23-24]采集到繞組溫度在噴淋裝置開啟的7 h內(nèi)降低了10.8 K，降溫效果顯著。

4 結(jié)論與展望

本文搭建了豎壁降膜模擬實(shí)驗(yàn)平臺與散熱器進(jìn)出油口測溫實(shí)驗(yàn)平臺，分析了采用噴淋裝置的降溫效應(yīng)，得出以下結(jié)論：

a)分析豎壁降膜模擬實(shí)驗(yàn)平臺監(jiān)測到的液膜覆蓋率，發(fā)現(xiàn)：采用PVC水管對散熱片壁進(jìn)行噴淋冷卻時(shí)，最佳噴淋孔間距為1 cm；通過調(diào)節(jié)水管噴淋的射流入射角為45°后，可以使液膜覆蓋率相比于水平噴淋方法提高60%。

b)水膜通過汽化潛熱與對流散熱提高了片式散熱器的總傳熱系數(shù)。分析散熱器進(jìn)出油口測溫實(shí)驗(yàn)平臺監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：相較未淋水方案，普通噴淋方案與改進(jìn)噴淋方案的散熱器出口油溫的降溫效果分別9.2 K和11.2 K，改進(jìn)噴淋裝置降溫效果更加顯著，降溫幅度提高了2 K。

本文給出的改進(jìn)噴淋方案可在變電站改造、主變壓器大修以及夏季高溫的用電高峰期等情形下運(yùn)用。后續(xù)研究可繼續(xù)深入，通過改變噴淋方式、噴淋裝置擺放位置等方式來提高片式散熱器外壁的液膜覆蓋率，為改善片式散熱器整體的散熱效率提供一種思路。