許博文 趙振剛 許曉平 劉 暢 金能思

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院研究生工作站）

油浸式變壓器在電力系統(tǒng)中起著重要的作用， 其繞組熱點(diǎn)溫度能夠衡量變壓器的負(fù)載能力、運(yùn)行壽命等重要指標(biāo)。 有數(shù)據(jù)顯示，在引發(fā)變壓器故障的原因中，60%以上是變壓器在工作時繞組熱點(diǎn)溫度過高引起的絕緣系統(tǒng)損壞，失去作用。 依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)六度法則，對于油浸式變壓器中常用的絕緣材料，其繞組溫度每升高6 ℃，變壓器的使用壽命縮短一半［1］。 因此對變壓器繞組熱點(diǎn)溫度變化進(jìn)行研究，對保證絕緣系統(tǒng)的正常工作有著重要意義。 在實(shí)際中，進(jìn)行繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測時，自然風(fēng)對變壓器的散熱影響不可忽略。

油浸式變壓器自身的散熱能力比較弱， 并且容易受到外界壞境因素的干擾。 常用的變壓器經(jīng)常安放在特殊的露天環(huán)境中， 由于云南地區(qū)晝夜環(huán)境變化復(fù)雜，一天內(nèi)自然風(fēng)速變化明顯，對變壓器的散熱影響很大。 本研究中的自然風(fēng)速采用文獻(xiàn)［2］中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了方便計算，對每小時內(nèi)監(jiān)測的風(fēng)速取平均值。 筆者以云南某公司生產(chǎn)的10 000 kVA、35 kV油浸式變壓器為研究對象，運(yùn)用有限元分析方法對變壓器在不同風(fēng)速下的工作狀態(tài)進(jìn)行二維建模， 同時搭建溫升實(shí)驗(yàn)平臺，測量繞組對應(yīng)位置的具體溫度值，并對有限元仿真結(jié)果與實(shí)際測量值進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證仿真模型的有效性［2，3］。

1 變壓器內(nèi)部傳熱行為分析與建模

變壓器在工作時，熱源主要來自其內(nèi)部重要結(jié)構(gòu)器件在實(shí)際運(yùn)行中損耗產(chǎn)生的熱量，主要由鐵芯產(chǎn)生的空載損耗和繞組產(chǎn)生的負(fù)載損耗組成［4］：

式中 PC——空載損耗；

PL——負(fù)載損耗；

PT——總損耗。

油浸式變壓器工作過程中的損耗主要以產(chǎn)生熱量使內(nèi)部結(jié)構(gòu)件溫度升高的方式體現(xiàn)出來，在熱傳遞過程中，產(chǎn)生的熱量使熱源自身的結(jié)構(gòu)件溫度上升，然后繞組和鐵芯通過熱傳導(dǎo)和熱對流的方式把熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中，使周圍的介質(zhì)油溫度升高，然后冷卻介質(zhì)油以熱傳導(dǎo)的形式把熱量傳遞到周圍油箱壁表面，最終熱量在油箱壁外表面以熱輻射的方式傳遞到周圍環(huán)境中［5，6］。

由于變壓器內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 數(shù)量多，因此對變壓器整體建立模型，計算量巨大，計算過程復(fù)雜，很難得到有效的數(shù)據(jù)。 而變壓器的繞組一般為圓柱體形狀，具有軸對稱的特點(diǎn)，且沿著繞組的中心軸線向外得到任意方向軸截面，可以用來代表繞組中心軸周圍任一方向，同時變壓器內(nèi)部各方向熱傳遞方式一致，故可將復(fù)雜的三維模型簡化為二維模型，這樣能在降低計算量的同時滿足實(shí)際工況［7～9］。

筆者運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對油浸式變壓器進(jìn)行二維建模。 油浸式變壓器各結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性見表1、2。

表1 油浸式變壓器各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 油浸式變壓器的材料屬性

利用Ansys Fluent軟件，結(jié)合鐵芯、繞組的實(shí)際參數(shù)建立的簡化后的油浸式變壓器二維模型如圖1所示［10～12］。

圖1 簡化后的油浸式變壓器二維模型

筆者主要研究外界自然風(fēng)速變化對繞組溫升的影響，因此需要使求解環(huán)境接近實(shí)驗(yàn)環(huán)境以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性［13］。 設(shè)定室溫為20 ℃，進(jìn)口油速為0.05 m/s，熱源設(shè)置為均勻發(fā)熱體。 根據(jù)變壓器出廠測試結(jié)果，繞組發(fā)熱功率為230 875 W/m3，鐵芯發(fā)熱功率為1 074 W/m3。 變壓器油的主要流動力是溫度變化使得油的密度發(fā)生改變而產(chǎn)生的熱浮升力，熱浮升力迫使油流產(chǎn)生自然循環(huán)運(yùn)動。 變壓器油的物理特性參數(shù)隨溫度T的變化見表3。

表3 變壓器油的物理特性參數(shù)隨溫度T的變化

根據(jù)熱阻的定義，將變壓器油箱壁表面對流散熱的熱阻R表示為：

式中 A——箱體散熱表面積；

h——對流換熱系數(shù)。

為更好地研究環(huán)境風(fēng)速對變壓器散熱的影響，可通過傳熱學(xué)中對流換熱系數(shù)與風(fēng)速的數(shù)學(xué)關(guān)系，將風(fēng)速引入到仿真模型中。 傳熱學(xué)中，對流換熱系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系可表示為：

其中，D為結(jié)構(gòu)尺寸；w為自然風(fēng)風(fēng)速；E為常數(shù)，取1.43；n也為常數(shù)，取0.412；v為速度［4］。

2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

采用數(shù)值法對變壓器二維流固耦合傳熱模型進(jìn)行求解計算，得出1倍額定功率下，外界環(huán)境溫度為20 ℃、進(jìn)口油速為0.05 m/s時，繞組溫度的分布情況（圖2）。

圖2 變壓器內(nèi)部溫度分布

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性， 筆者對35 kV油浸式變壓器進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)利用光纖Bragg光柵溫度傳感器對繞組溫升情況進(jìn)行精確測量，首先將光纖溫度傳感器安裝在低壓繞組間的墊塊上，忽略墊塊對溫度變化的影響。 從上至下在繞組中共布設(shè)5只溫度傳感器，如圖3所示。

圖3 傳感器的安裝與布設(shè)

將測得的外界環(huán)境為20 ℃時變壓器繞組溫度與仿真結(jié)果做對比，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 繞組溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計算數(shù)據(jù)對比（20 ℃）

由表4可知， 以實(shí)際變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)為模型的有限元仿真計算結(jié)果與變壓器溫升實(shí)驗(yàn)直接測量結(jié)果的誤差均在2 ℃以內(nèi)， 繞組整體的溫度分布情況與溫升實(shí)驗(yàn)中繞組溫度分布情況幾乎一致，證明了該仿真模型的有效性。

3 自然風(fēng)速對繞組熱點(diǎn)溫度的影響

為了更加準(zhǔn)確地研究自然風(fēng)速對繞組熱點(diǎn)溫度的影響，筆者分別選擇一天中無風(fēng)（0.00 m/s）、最低風(fēng)速（3.10 m/s）、平均風(fēng)速（3.60 m/s）、最高風(fēng)速（4.45 m/s）時進(jìn)行仿真計算，具體結(jié)果見表5。

表5 不同自然風(fēng)速下變壓器繞組熱點(diǎn)溫度

將不同自然風(fēng)速下的變壓器繞組溫度分布結(jié)果進(jìn)行處理，分別得出無風(fēng)（0.00 m/s）、最低風(fēng)速（3.10 m/s）、平均風(fēng)速（3.60 m/s）、最高風(fēng)速（4.45 m/s） 時， 繞組熱點(diǎn)溫度為69.0、65.5、65.0、64.8 ℃的擬合曲線，如圖4所示。 由圖4的擬合曲線可以看出，隨著外界自然風(fēng)速的升高，繞組熱點(diǎn)溫度會降低。

圖4 不同風(fēng)速下繞組熱點(diǎn)溫度情況

4 結(jié)束語

筆者運(yùn)用數(shù)值分析法分析環(huán)境溫度變化對繞組熱點(diǎn)溫度分布的影響， 用ANSYS Fluent軟件對變壓器進(jìn)行二維建模，并通過變壓器溫升實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。 以實(shí)際變壓器參數(shù)建立平面二維模型計算的有限元仿真結(jié)果與實(shí)際溫升實(shí)驗(yàn)直接測量的結(jié)果誤差在2 ℃以內(nèi)， 驗(yàn)證了有限元仿真模型的有效性。 由不同自然風(fēng)速下的變壓器繞組溫度的分布可知，變壓器繞組溫度會隨風(fēng)速的增加而降低。 對一天中無風(fēng)、平均風(fēng)速、最高風(fēng)速、最低風(fēng)速下的繞組溫度進(jìn)行有限元仿真，計算結(jié)果表明，風(fēng)速對變壓器熱點(diǎn)溫度的影響最高為4.2 ℃。 因此在工程應(yīng)用中，在變壓器的周圍設(shè)置大型風(fēng)扇， 能夠有效降低絕緣紙的溫升現(xiàn)象，提高絕緣紙的使用壽命。