杜志葉 肖 湃 郝兆揚(yáng) 段辭涵 謝齊家

基于繞組熱點(diǎn)溫度反饋的特高壓交流變壓器低頻加熱干燥方法研究

杜志葉1肖 湃1郝兆揚(yáng)1段辭涵2謝齊家3

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072 2. 南網(wǎng)廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局 廣州 510000 3. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院 武漢 430077）

特高壓變壓器現(xiàn)場組裝完成后，經(jīng)加熱干燥后的油溫會(huì)影響變壓器絕緣安全。針對傳統(tǒng)熱油循環(huán)法在寒冷地區(qū)現(xiàn)場加熱特高壓變壓器效率偏低的問題，該文建立典型特高壓交流變壓器繞組流體-溫度耦合數(shù)值模型，仿真分析1 000kV特高壓交流變壓器熱油循環(huán)加熱及低頻加熱的溫升規(guī)律，提出一種基于低頻加熱繞組熱點(diǎn)溫度反饋結(jié)果確定散熱器油泵開啟合理時(shí)間的變壓器加熱干燥方法，通過溫升試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型與算法的可行性。結(jié)果表明低頻加熱配合散熱器熱油循環(huán)技術(shù)在7h時(shí)刻開啟散熱器油泵可以大幅縮短加熱時(shí)間，提升加熱效率。研究結(jié)果為寒冷地區(qū)特高壓交流變壓器的加熱干燥提供了新的解決方案。

特高壓交流變壓器 熱油循環(huán) 低頻加熱 溫度場

0 引言

伴隨著電網(wǎng)規(guī)模和用電需求的不斷增加，電力變壓器的容量和電壓等級不斷提高，電力變壓器的體積也相應(yīng)增加，導(dǎo)致成品變壓器體積較大，難以運(yùn)輸，為了解決大容量特高壓變壓器運(yùn)輸困難的問題，現(xiàn)場組裝將成為發(fā)展趨勢[1]。

根據(jù)國內(nèi)外變壓器現(xiàn)場安裝真空注油的工藝要求，為了減小變壓器絕緣材料中所含的水分對絕緣強(qiáng)度和運(yùn)行壽命的影響[2-4]，變壓器現(xiàn)場安裝完成后必須進(jìn)行干燥處理，上層油溫要求精確控制在70～80℃[5-6]，以確保變壓器的絕緣狀態(tài)安全。目前，國內(nèi)外關(guān)于變壓器現(xiàn)場安裝時(shí)的加熱方法包括熱油循環(huán)或噴淋、油箱鐵損加熱法、零序電流加熱法和短路法，其中熱油循環(huán)是主要的且使用最為廣泛的方法[7]。但是在低溫環(huán)境下，熱油循環(huán)的加熱效率很低，往往無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度而難以實(shí)施，需要輔助加熱聯(lián)合作用。低頻加熱技術(shù)由于電流頻率低，能以更低電壓對繞組進(jìn)行加熱，同時(shí)消耗的無功功率也減小，提高了電源的使用效率，加熱效率更高[8]。國外對低頻加熱研究較早，M. Naimi等通過仿真研究，發(fā)現(xiàn)繞組絕緣材料中在低頻加熱時(shí)溫度分布并不均勻[9]；ABB公司也有對變壓器使用低頻加熱技術(shù)進(jìn)行加熱干燥的應(yīng)用實(shí)例[10]。國內(nèi)有國網(wǎng)陜西省電力科學(xué)研究院研制了頻率可在0.5～5Hz間調(diào)節(jié)的780kV的低頻加熱裝置，在110kV變壓器現(xiàn)場使用該裝置加熱7h將變壓器油溫從10℃升高到55℃，加熱效率大幅提高[11]；中廣核工程有限公司對比低頻加熱技術(shù)與傳統(tǒng)的熱油循環(huán)的加熱效果，低頻加熱技術(shù)優(yōu)勢顯著[12]；湖北省電科院的謝齊家等將研制的低頻加熱電源應(yīng)用于哈密換流站的變壓器現(xiàn)場加熱，加熱10h后變壓器下層油溫上升近50℃，加熱周期明顯縮短[13]。上述研究和工程應(yīng)用成果表明，采用低頻加熱技術(shù)將極大地提高特高壓變壓器現(xiàn)場加熱的效率，在特高壓變壓器現(xiàn)場加熱具有良好的應(yīng)用前景[14-15]。但低頻加熱時(shí)變壓器繞組是否會(huì)引起繞組局部過熱損壞變壓器絕緣，以及低頻加熱時(shí)如何配合熱油循環(huán)和油泵進(jìn)行更加高效的加熱干燥都鮮有研究。

本文采用流-熱耦合仿真方法，建立某1 000kV特高壓交流變壓器流體-溫度場耦合數(shù)值模型，對低頻加熱時(shí)變壓器繞組的熱點(diǎn)溫度進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，獲取加熱時(shí)繞組和油流的溫度分布特征，為低頻加熱提供指導(dǎo)，對于保障特高壓交流變壓器的現(xiàn)場組裝后的安全運(yùn)行具有重要的意義。

1 變壓器流體-溫度場耦合模型

1.1 控制方程

低頻加熱與熱油循環(huán)過程中變壓器繞組和油流溫升的計(jì)算是一個(gè)流體-溫度場耦合問題[16-18]。變壓器內(nèi)油的流動(dòng)和各組成部分間傳熱可以通過質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程來表達(dá)[19]。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

流體區(qū)域外，在繞組、鐵心等固體區(qū)域通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量，在固體與流體的接觸表面通過熱對流傳遞熱量，本文仿真計(jì)算中忽略了輻射散熱的影響，只考慮熱對流和熱傳導(dǎo)的過程，其控制方程為

1.2 仿真模型及物理參數(shù)

本文研究的1000kV特高壓交流變壓器為單相五柱式結(jié)構(gòu)，變壓器型號(hào)為ODFPS—1000000/1000，其高壓/中壓/低壓側(cè)額定容量和額定電流分別為1 000MV·A/1 000MV·A/334MV·A和1649.57A/3 299.14A/ 3 036.36A，主要包括鐵心、繞組、油箱、圍屏、匯油擋板和繞組端部絕緣等結(jié)構(gòu)。變壓器帶有8組散熱器，散熱器進(jìn)出口均根據(jù)油管的實(shí)際位置和尺寸建立開口，總共包含16個(gè)散熱器進(jìn)出口，開口直徑為150mm，通過油泵強(qiáng)迫對流，散熱器外通過風(fēng)機(jī)散熱。油箱底部建有油槽，匯油擋板上開匯油口，每相繞組底部開4個(gè)。濾油機(jī)進(jìn)出口分布在油箱右上角和右下角，開口直徑為80mm，變壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特高壓交流變壓器結(jié)構(gòu)

該模型中從匯油口進(jìn)入繞組的油流會(huì)經(jīng)過復(fù)雜的匯油擋板然后進(jìn)入繞組油道中，由于水平油道流速較小，本文不考慮水平油道的影響。繞組和圍屏構(gòu)成豎直油道，高壓繞組內(nèi)側(cè)、中壓繞組內(nèi)側(cè)、低壓繞組內(nèi)側(cè)與外層豎直油道距離分別為7mm、7mm、8mm，繞組間不具有油路。圖2為繞組及豎直油道俯視圖。

圖2 繞組及豎直油道俯視圖

油作為該變壓器內(nèi)的散熱介質(zhì)，其粘度對流體材料的仿真計(jì)算的收斂性和結(jié)果影響很大，其密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)也對變壓器內(nèi)部溫度分布產(chǎn)生較大影響[20]。本文采用函數(shù)來擬合各物理參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，表達(dá)式見表1[21-22]。

表1 油物理參數(shù)隨溫度變化擬合函數(shù)

Tab.1 Fitting function of oil physical parameters changing with temperature

1.3 熱源及邊界條件

低頻加熱法的基本原理是將變壓器一側(cè)繞組短路，而在另一側(cè)繞組施加低頻電流，通過變壓器繞組產(chǎn)生的損耗從變壓器內(nèi)部進(jìn)行加熱干燥。當(dāng)進(jìn)行低頻加熱時(shí)，加熱電源接入變壓器1 000kV側(cè)，500kV側(cè)短路，110kV側(cè)懸空。根據(jù)變壓器出廠直流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)，高壓繞組為0.178 63?、中壓繞組為0.105 42?、低壓繞組為0.020 14?，可以得到低頻加熱時(shí)繞組直流電阻為0.284 05?。低頻加熱裝置額定電流為1 200A，電流頻率為0.05Hz。變壓器在運(yùn)行中會(huì)在繞組、鐵心及鋼結(jié)構(gòu)部件中產(chǎn)生損耗，其中以繞組損耗為主，由于頻率很低可以忽略趨膚效應(yīng)[23]和鐵心的發(fā)熱，根據(jù)高壓、中壓繞組的直流電阻進(jìn)行折算，得到高壓繞組、中壓繞組熱源功率分別為257 207W、151 793W，并加載到相應(yīng)的繞組模型上。

熱油循環(huán)法的基本原理是利用高真空濾油機(jī)進(jìn)油泵迫使變壓器油在濾油機(jī)加熱器、真空脫氣罐和變壓器本體之間循環(huán)流動(dòng)[24]。當(dāng)進(jìn)行熱油循環(huán)時(shí)，濾油機(jī)作為熱源，經(jīng)過其加熱器加熱后的油流循環(huán)流動(dòng)，變壓器逐漸被加熱。仿真過程中通過設(shè)置入口油流的流速和溫度來等效表達(dá)濾油機(jī)的作用。根據(jù)式（5），通過流量與入口截面積比值計(jì)算得濾油機(jī)泵入口油流流速為0.66m/s。入口油溫in由濾油機(jī)功率決定，通過擬合入口油溫與濾油機(jī)作用，本文將in定義為與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，按照式（6）設(shè)置，出口油溫則由計(jì)算確定。

對散熱器及油泵部分處理方法和濾油機(jī)相同。同樣通過式（5）計(jì)算得到散熱器油管入口流速為2.12m/s，進(jìn)口油溫為油管出口油溫，通過式（7）～式（10）進(jìn)行擬合[25]。

式中，AF為風(fēng)冷式散熱器有效散熱面積；為片間距修正系數(shù)；為片數(shù)修正系數(shù)；AF為表面系數(shù)；D為對流散熱面積；為單組散熱器散熱功率；為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；1為散熱器進(jìn)口油溫；2為散熱器出口油溫；0為環(huán)境溫度；Δ為散熱能量；為散熱片高度；0為散熱器內(nèi)油流流速；為油比熱容；為單組散熱器中油質(zhì)量。

根據(jù)散熱片結(jié)構(gòu)，取0.96，取0.92，D為117.7m2，忽略散熱片輻射散熱，AF取0.55；為4.395m，0為15mm/s，結(jié)合式（7）～式（10）得

式（11）即為散熱器進(jìn)口油溫1和出口油溫2的函數(shù)關(guān)系式。變電站現(xiàn)場環(huán)境最低溫度約為 -10℃，加熱過程中對特高壓變壓器器身進(jìn)行保溫處理，變壓器外殼等效表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)置為2W/(m2·K)。

2 多工況計(jì)算分析

本節(jié)結(jié)合某特高壓變電站1 000kV變壓器加熱干燥實(shí)際工況，探索熱油循環(huán)和低頻加熱過程中變壓器繞組熱點(diǎn)及油溫的升溫規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過各個(gè)工況加熱效率的對比給出更優(yōu)加熱策略，優(yōu)化實(shí)際工程中低頻加熱流程，提升加熱效率。

2.1 熱油循環(huán)溫升研究

特高壓交流變壓器在進(jìn)行熱油循環(huán)加熱時(shí)濾油機(jī)進(jìn)出口位置如圖3所示。變壓器現(xiàn)場加熱時(shí)實(shí)際熱油循環(huán)工藝中進(jìn)油方式有兩種選擇：濾油機(jī)輸油管入口位于變壓器底部、出口位于變壓器頂部，熱油在變壓器中下進(jìn)上出的循環(huán)方式和濾油機(jī)輸油管入口位于變壓器頂部、出口位于變壓器底部，熱油在變壓器中上進(jìn)下出的循環(huán)方式。

圖3 濾油機(jī)進(jìn)出口示意圖

結(jié)合式（6）對下進(jìn)上出及上進(jìn)下出這兩種熱油循環(huán)方式先分別進(jìn)行40h計(jì)算仿真，得到兩種循環(huán)方式下中心截面溫度分布如圖4所示，下進(jìn)上出熱油循環(huán)加熱時(shí)單個(gè)油流粒子軌跡如圖5所示。

圖4 兩種熱油循環(huán)方式中心截面溫度分布對比

圖5 下進(jìn)上出熱油循環(huán)時(shí)單個(gè)油流粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

觀察圖4可知，由于濾油機(jī)進(jìn)口位置不同導(dǎo)致油溫分布趨勢不同。下進(jìn)上出熱油循環(huán)方式中油溫最高處位于截面右上角，油溫逐漸向下遞減；而上進(jìn)下出熱油循環(huán)方式中油溫最高處位于截面左上側(cè)。相較而言下進(jìn)上出熱油循環(huán)時(shí)中心截面溫度分布更為均勻，整體油溫溫差在1℃左右?？梢妰H采用熱油循環(huán)加熱時(shí)兩種熱油循環(huán)方式差別較小，兩種方式均可被采納。進(jìn)一步延長計(jì)算時(shí)間至72h，得到下進(jìn)上出熱油循環(huán)方式下油溫曲線如圖6所示。

圖6 下進(jìn)上出熱油循環(huán)方式下油溫圖

從圖6可以看出，在低溫條件下熱油循環(huán)加熱效率很低，下進(jìn)上出熱油循環(huán)下加熱72h將頂油加熱到65.8℃，當(dāng)油溫達(dá)到60℃后上升非常緩慢，油溫達(dá)到65℃后溫度幾乎不再增加。這是由于油流達(dá)到一定溫度后加熱功率與散熱功率近似相等，受濾油機(jī)加熱功率的限制，油溫不再上升，因此在環(huán)境溫度較低（-10℃）時(shí)僅僅依靠濾油機(jī)不能將油流加熱至規(guī)定的70℃。

2.2 低頻加熱溫升研究

首先在不開啟油泵和散熱器的情況下，采用低頻加熱配合兩種熱油循環(huán)方式，仿真計(jì)算變壓器油及繞組熱點(diǎn)的溫升。圖7為低頻加熱配合下進(jìn)上出熱油循環(huán)加熱6h后的濾油機(jī)出口截面油溫與中心截面流速分布圖。

由圖7可知，該工況熱油從右下側(cè)進(jìn)口向上流動(dòng)，導(dǎo)致右上部油溫較高，在6h時(shí)刻頂層油溫與底層油溫分別為47.54℃和44.45℃，整體油溫分布較為均勻。加熱過程中靠近濾油機(jī)出口處頂部油流的流速較大，為0.23m/s，繞組內(nèi)部油道流速在0.02～0.06m/s之間。由于繞組內(nèi)部流速很小，油流散熱能力有限可能會(huì)引起繞組過溫問題。進(jìn)一步設(shè)置當(dāng)?shù)讓佑蜏剡_(dá)到70℃時(shí)終止計(jì)算，加熱總時(shí)間為10h。兩種循環(huán)方式加熱過程中油溫及繞組熱點(diǎn)溫度變化如圖8所示。

圖8 兩種熱油循環(huán)下封閉低頻加熱特征溫度變化

由圖8可以發(fā)現(xiàn)低頻加熱下進(jìn)上出熱油循環(huán)條件下，油溫分布更均勻，加熱至10h時(shí)，頂層油溫為70.8℃，整體油溫已達(dá)到要求。但是國標(biāo)規(guī)定油浸式變壓器為A級絕緣，其繞組長期平均工作溫度應(yīng)不超過105℃[26]，此時(shí)繞組溫度已經(jīng)達(dá)到123.5℃，繞組已經(jīng)過溫。加熱至大約7.5h時(shí)刻，繞組熱點(diǎn)溫度已達(dá)到上限溫度105℃，但此時(shí)油溫為55℃，尚未達(dá)到預(yù)熱溫度要求。為了保證繞組絕緣安全，低頻加熱必須停止。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，熱油循環(huán)將油溫從55℃加熱至70℃仍然需要耗費(fèi)很長時(shí)間，會(huì)極大地降低工程加熱的效率。

綜合以上分析可以得出，低頻加熱雖然能極大程度地提高加熱效率，但是有可能造成繞組的過溫，導(dǎo)致其絕緣損壞。為了保證加熱效率的同時(shí)保障變壓器繞組的絕緣，考慮開啟變壓器油泵和散熱器，配合低頻加熱和熱油循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

在進(jìn)行開啟油泵及散熱器的仿真計(jì)算之前，通過式（11）代入環(huán)境溫度0為-10℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)置為2W/(m2·K)，得到

將式（12）作為邊界條件加載至散熱器油泵進(jìn)出口處，考慮下進(jìn)上出熱油循環(huán)方式，同樣當(dāng)?shù)讓佑蜏剡_(dá)到70℃時(shí)終止計(jì)算，得到開啟一組散熱器及油泵時(shí)的熱點(diǎn)溫度及頂層油溫變化結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，在環(huán)境溫度為-10℃，低頻加熱配合下進(jìn)上出熱油循環(huán)的工況下，開啟一組散熱器及油泵后下進(jìn)上出熱油循環(huán)需工作27h才將頂層油溫加到規(guī)定值。前一個(gè)小時(shí)頂層油溫溫升較為緩慢，這是因?yàn)橛偷某跏紲囟葹?2℃，而繞組初始溫度為0℃，繞組溫度上升到油溫之后，油溫才會(huì)上升，由此出現(xiàn)了緩慢上升的情況，1h之后隨著加熱時(shí)間的延長，溫度的上升速率逐漸降低。27h時(shí)刻頂層油溫為70.43℃，超過70℃中止計(jì)算，此時(shí)繞組熱點(diǎn)溫度為100.27℃，未出現(xiàn)過溫。

在低頻加熱配合下進(jìn)上出熱油循環(huán)方式下開啟一組散熱器及油泵后，對繞組而言，繞組油道內(nèi)流速增加，使得繞組散熱能力增強(qiáng)，繞組升溫速率下降且未出現(xiàn)過溫；對于油流而言，油流在散熱器中流動(dòng)向外散熱，頂層油溫的升溫速率也會(huì)下降。從熱路模型的角度分析，熱點(diǎn)溫度與頂層油溫之間的熱阻由于散熱器及油泵的作用而降低，導(dǎo)致其溫差由68℃下降至29.84℃。由于熱阻是由繞組內(nèi)部油道實(shí)際結(jié)構(gòu)及變壓器內(nèi)油熱物理參數(shù)決定，與變壓器外界環(huán)境溫度關(guān)系不大，可以說明，在不同環(huán)境溫度條件下，當(dāng)頂層油溫達(dá)到70℃，繞組熱點(diǎn)溫度大約為100℃，不會(huì)過溫，可保證其絕緣安全。

從以上分析可以得出，開啟一組散熱器及油泵后能有效控制低頻加熱過程中的繞組不會(huì)出現(xiàn)過溫，但頂層油溫的加熱效率較低。因此首先需要溫升試驗(yàn)驗(yàn)證模型及算法的正確性，并進(jìn)一步通過仿真計(jì)算，找到散熱器及油泵開啟的合理時(shí)間，在保障繞組絕緣安全的前提下提高頂層油溫加熱效率。

2.3 溫升試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證特高壓變壓器模型及仿真計(jì)算的正確性，在某變電站變壓器組裝現(xiàn)場開展溫升試驗(yàn)，如圖10所示。由于低頻加熱現(xiàn)場測得的環(huán)境溫度在-10.4～5.0℃之間隨機(jī)變化，因此本節(jié)在計(jì)算時(shí)與環(huán)境溫度相關(guān)的函數(shù)表達(dá)式也設(shè)置相應(yīng)變化。

圖10 特高壓交流變壓器低頻加熱現(xiàn)場

本次試驗(yàn)采用熱電阻對變壓器內(nèi)溫度進(jìn)行測量，熱電阻測溫點(diǎn)布置在頂層油、高、低壓繞組高度2/3處以及濾油機(jī)及散熱器進(jìn)出口位置。為了防止繞組過溫，加熱方式為低頻加熱配合下進(jìn)上出熱油循環(huán)?，F(xiàn)場加熱過程中始終保持開啟一組散熱器，且每隔2h切換散熱器，對應(yīng)的仿真計(jì)算中每隔2h切換散熱器及油泵。試驗(yàn)從第一天上午10:30至第二天7:25將油溫加熱至70℃，共耗時(shí)約21h。圖11記錄了頂層油溫實(shí)測值、計(jì)算值以及環(huán)境溫度。

圖11 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

從圖11可以看出，整體上大部分頂層油溫的計(jì)算值與實(shí)測值能夠較好地吻合，在加熱時(shí)間615min時(shí)刻，頂層油溫的實(shí)測值為51℃，計(jì)算值為49.5℃，最大溫差不超過1.5℃，最大誤差不超過3%，符合工程需求。加熱過程中最初75min由于濾油機(jī)功率未達(dá)到額定值，同時(shí)繞組初始溫度為0℃，低于油溫度，導(dǎo)致頂層油溫上升較慢。溫升試驗(yàn)表明本文構(gòu)建模型的合理性和計(jì)算結(jié)果的可靠性。

2.4 變壓器加熱干燥新方案

基于溫升試驗(yàn)驗(yàn)證模型算法的正確性，考慮將封閉低頻加熱和散熱器循環(huán)加熱配合起來，提出一種基于繞組熱點(diǎn)溫度反饋結(jié)果確定散熱器及油泵開啟合理時(shí)間的特高壓交流變壓器加熱干燥方案。圖12為本文確定散熱器及油泵開啟合理時(shí)間的流程。

圖12 計(jì)算散熱器及油泵開啟時(shí)間流程

在進(jìn)行低頻加熱時(shí)考慮溫度裕度為3℃，首先采取封閉低頻加熱配合下進(jìn)上出熱油循環(huán)加熱，直到繞組熱點(diǎn)溫度達(dá)到102℃時(shí)輸出對應(yīng)的加熱時(shí)間，此時(shí)繞組絕緣安全，對應(yīng)的加熱時(shí)間為7h，頂層油溫為53℃；然后在該時(shí)刻開啟一組散熱器及油泵繼續(xù)將油溫加熱至70℃。這種優(yōu)化加熱方案下計(jì)算得到的繞組熱點(diǎn)及頂層油溫如圖13所示。

圖13 低頻加熱配合散熱器熱油循環(huán)繞組熱點(diǎn)及頂層油溫

由圖13可知，封閉低頻加熱配合熱油循環(huán)7h后開啟油泵及散熱器，將油溫加熱至70℃共需加熱18h，與從加熱初始時(shí)刻就開啟油泵相比可以縮減9h的加熱時(shí)間，能夠大幅提高加熱效率。在加熱7h時(shí)刻開啟油泵及散熱器，變壓器內(nèi)溫度出現(xiàn)過渡狀態(tài)，此時(shí)繞組熱點(diǎn)溫度與頂層油溫之間溫差為49℃。開啟油泵之后繞組散熱能力增加，繞組與頂油之間熱阻減小，繞組與頂油之間溫差突然降低，導(dǎo)致繞組熱點(diǎn)溫度快速下降，頂層油溫緩慢上升，當(dāng)熱點(diǎn)溫度與頂層油溫之間溫差達(dá)到約30℃時(shí)，過渡過程完成，該過程耗時(shí)3h。然后繞組溫度與頂層油溫繼續(xù)緩慢上升至70℃，該過程耗時(shí)8h。

綜上所述，在采取低頻加熱配合熱油循環(huán)加熱特高壓變壓器時(shí)，7h時(shí)刻為開啟散熱器及油泵的合理時(shí)間，本文提出的方法基于繞組熱點(diǎn)溫度的反饋結(jié)果，在保障繞組絕緣安全的前提下確定了低頻加熱配合熱油循環(huán)加熱的最長加熱時(shí)間，可為寒冷地區(qū)現(xiàn)場加熱大容量特高壓交流變壓器提供指導(dǎo)。

3 結(jié)論

本文通過瞬態(tài)流體-溫度場耦合分析方法，對1 000kV特高壓交流變壓器現(xiàn)場加熱過程中的油流和繞組的溫度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，確定低頻加熱配合散熱器熱油循環(huán)是特高壓交流變壓器現(xiàn)場加熱干燥的高效方案，并得到如下結(jié)論：

1）提出了一種基于繞組熱點(diǎn)溫度反饋的低頻加熱干燥方法，通過流體-溫度場多物理場仿真分析，確定低頻加熱時(shí)散熱器油泵開啟合理時(shí)間，通過溫升試驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的可行性。

2）在僅有熱油循環(huán)時(shí)，濾油機(jī)輸油管下進(jìn)上出與上進(jìn)下出兩種熱油循環(huán)方式無明顯差別；在低頻加熱過程中，采用下進(jìn)上出熱油循環(huán)方式加熱效率更高、整體油溫分布更均勻。

3）將低頻加熱與熱油循環(huán)加熱配合，基于繞組熱點(diǎn)溫度的反饋結(jié)果，在滿足溫升限值的條件下，在7h時(shí)開啟散熱器及油泵可以將加熱時(shí)間由27h縮減至18h，加熱效率提升33.3%，加熱過程中繞組絕緣安全。

[1] 張丙旭, 張喜樂, 高揚(yáng), 等. 1000kV特高壓變壓器現(xiàn)場組裝工藝研究[J]. 變壓器, 2016, 53(7): 25-28.

Zhang Bingxu, Zhang Xile, Gao Yang, et al. Research on site assembly technology for 1000kV UHV transformer[J]. Transformer, 2016, 53(7): 25-28.

[2] García D F, García B, Burgos J C. Analysis of the influence of low-frequency heating on transformer drying - Part 1: theoretical analysis[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2012, 38(1): 84-89.

[3] 劉驥, 張明澤, 趙春明, 等. 基于頻域介電響應(yīng)分頻段優(yōu)化計(jì)算的變壓器油紙絕緣老化參數(shù)定量計(jì)算方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(9): 2020-2031.

Liu Ji, Zhang Mingze, Zhao Chunming, et al. Quantitative calculation method of transformer oil-paper insulation aging parameters based on frequency dielectric spectrum frequency range optimized calculation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 2020-2031.

[4] 楊帆, 池騁, 劉剛, 等. 計(jì)及溫度-電場強(qiáng)度非線性的換流變壓器瞬態(tài)電場影響分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(23): 4971-4979.

Yang Fan, Chi Cheng, Liu Gang, et al. Study on transient insulation condition of converter transformer based on nonlinearity between temperature and electric field[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(23): 4971-4979.

[5] 官瀾, 李博, 劉銳, 等. 特高壓換流變壓器低頻電流短路法現(xiàn)場加熱裝置研制及應(yīng)用[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(36): 6585-6591.

Guan Lan, Li Bo, Liu Rui, et al. Development and application of low frequency short-circuit current on-site heating device for the UHV converter transformer[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(36): 6585-6591.

[6] 陽少軍, 牛保紅, 呂家圣. ±500kV天廣直流換流變故障的分析與處理[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32(9): 165-167.

Yang Shaojun, Niu Baohong, Lü Jiasheng. Analysis of accident of the converter transformer of Tian-Guang HVDC project[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(9): 165-167.

[7] 劉銳, 李金忠, 張書琦, 等. 大型變壓器現(xiàn)場加熱干燥方法的研究與應(yīng)用[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(1): 193-198.

Liu Rui, Li Jinzhong, Zhang Shuqi, et al. Study on the on-site heating method for large-scale power transformers[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(1): 193-198.

[8] 黃國強(qiáng), 李良書, 李為, 等. 繞組低頻加熱技術(shù)在變壓器現(xiàn)場絕緣受潮處理中的應(yīng)用[J]. 陜西電力, 2014, 42(4): 49-52, 60.

Huang Guoqiang, Li Liangshu, Li Wei, et al. Application of winding low frequency heating technology in the treatment of damped transformer insulation at site[J]. Shaanxi Electric Power, 2014, 42(4): 49-52, 60.

[9] Naimi M, Farhangi S, Ghaemi R. Thermal model and temperature control of a 30 MVA distribution transformer applied in low frequency drying process[C]//CCECE 2003 - Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Toward a Caring and Humane Technology (Cat. No.03CH37436), Montreal, QC, Canada, 2003: 539-542.

[10] Bosiger J. The use of low frequency heating techniques in the insulation drying process for liquid filled small power transformers[C]//2001 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition, Developing New Perspectives (Cat. No.01CH37294), Atlanta, GA, USA, 2001: 688-692.

[11] 黃國強(qiáng), 李良書, 李為, 等. 變壓器現(xiàn)場繞組低頻加熱技術(shù)及裝置研制[J]. 陜西電力, 2013, 41(12): 89-93, 98.

Huang Guoqiang, Li Liangshu, Li Wei, et al. Low frequency heating technology and device development for transformer coil in short-circuit[J]. Shaanxi Electric Power, 2013, 41(12): 89-93, 98.

[12] 沈恒毅, 葛袁, 韓書印. 大容量電力變壓器現(xiàn)場干燥方法研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(9): 171-175.

Shen Hengyi, Ge Yuan, Han Shuyin. Research on site drying method of large capacity power transformer[J]. High Voltage Apparatus, 2017, 53(9): 171-175.

[13] 謝齊家, 汪濤, 高得力, 等. 基于方波調(diào)制的換流變壓器低頻加熱電源研制[J]. 湖北電力, 2015, 39(2): 16-20.

Xie Qijia, Wang Tao, Gao Deli, et al. Research and development of converter transformer low frequency heating system based on square-waveform modulation[J]. Hubei Electric Power, 2015, 39(2): 16-20.

[14] 朱小帆, 查曉明, 秦亮, 等. 基于無源性控制的變壓器低頻加熱電源[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2015, 35(6): 166-171.

Zhu Xiaofan, Zha Xiaoming, Qin Liang, et al. Low-frequency transformer heating source based on passivity control[J]. Electric Power Automation Equipment, 2015, 35(6): 166-171.

[15] 李飛, 張靜, 程林, 等. 適用于寒冷地區(qū)的變壓器低頻短路電流加熱干燥方法研究[J]. 黑龍江電力, 2018, 40(5): 438-442.

Li Fei, Zhang Jing, Cheng Lin, et al. Study on low frequency short-circuit current heating and drying method for on-site transformer in cold areas[J]. Heilongjiang Electric Power, 2018, 40(5): 438-442.

[16] 謝裕清, 李琳, 宋雅吾, 等. 油浸式電力變壓器繞組溫升的多物理場耦合計(jì)算方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(21): 5957-5965, 6040.

Xie Yuqing, Li Lin, Song Yawu, et al. Multi-physical field coupled method for temperature rise of winding in oil-immersed power transformer[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(21): 5957-5965, 6040.

[17] 李永建, 閆鑫笑, 張長庚, 等. 基于磁-熱-流耦合模型的變壓器損耗計(jì)算和熱點(diǎn)預(yù)測[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(21): 4483-4491.

Li Yongjian, Yan Xinxiao, Zhang Changgeng, et al. Numerical prediction of losses and local overheating in transformer windings based on magnetic-thermal-fluid model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4483-4491.

[18] 曾非同, 關(guān)向雨, 黃以政, 等. 基于多尺度多物理場的油浸式變壓器流動(dòng)-傳熱數(shù)值研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(16): 3436-3444.

Zeng Feitong, Guan Xiangyu, Huang Yizheng, et al. Numerical study on flow-heat transfer of oil-immersed transformer based on multiple-scale and multiple-physical fields[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(16): 3436-3444.

[19] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 2版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001.

[20] 王澤忠, 李明洋, 宣夢真, 等. 單相四柱式變壓器直流偏磁下的溫升試驗(yàn)及仿真分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(5): 1006-1013.

Wang Zezhong, Li Mingyang, Xuan Mengzhen, et al. Temperature rise test and simulation of single-phase four-column transformer under DC-bias[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 1006-1013.

[21] 梁敏. 大型油浸式變壓器溫度場計(jì)算與失效模型研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2014.

[22] 李龍女. 自然油循環(huán)變壓器的油流分布與溫度場研究[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué), 2016.

[23] 陳彬, 李琳, 趙志斌. 雙向全橋DC-DC變換器中大容量高頻變壓器繞組與磁心損耗計(jì)算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(22): 123-133.

Chen Bin, Li Lin, Zhao Zhibin. Calculation of high-power high-frequency transformer's copper loss and magnetic core loss in dual-active-bridge DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(22): 123-133.

[24] 呂家圣, 曾憲剛, 黃徐, 等. ±500kV換流變壓器現(xiàn)場干燥處理技術(shù)應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 33(10): 222-223.

[25] 翟茜. 大型變壓器片式散熱器散熱效率分析與研究[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué), 2019.

[26] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 電氣絕緣耐熱性分級: GB/T 11021—2007[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

Study on Low-Frequency Heating and Drying Method of UHVAC Transformer Based on Temperature Feedback of Winding Hot Spots

Du Zhiye1Xiao Pai1Hao Zhaoyang1Duan Cihan2Xie Qijia3

（1. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Southern Power Grid Guangzhou Power Supply Company Guangzhou 510000 China 3. State Grid Hubei Electric Power Research Institute Wuhan 430077 China）

The oil temperature of the UHV transformer after being heated and dried on site will affect the insulation safety of the transformer. To solve the problem of low efficiency of traditional hot oil circulation method in heating UHV transformer in low temperature area, in this paper, the fluid-temperature coupling numerical model of typical UHVAC transformer was established and the temperature rise law of 1000kV UHVAC transformer hot oil circulating heating and low frequency heating was analyzed. The transformer heating and drying method based on low frequency heating winding hot spot temperature feedback to determine the reasonable opening time of radiator oil pump was proposed. The feasibility of the simulation model and algorithm was verified through the temperature rise test. The results show that the heating time can be reduced greatly by low frequency heating combined with radiator hot oil circulation technology at the time of 7h with opening the radiator oil pump and the heating efficiency can be increased. The results can provide a new solution for heating and drying of UHVAC transformer in low-temperature area.

UHVAC transformer, hot oil circulation, low frequency heating, the temperature field

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210803

TM411

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51977152）。

2021-06-01

2021-11-01

杜志葉 男，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈姎庠O(shè)備、特高壓直流輸電關(guān)鍵技術(shù)、電磁多物理場耦合計(jì)算技術(shù)。E-mail：Duzhiye@126.com

肖 湃 男，1997年生，碩士，研究方向?yàn)樽儔浩鳒囟葓鲇?jì)算、變壓器勵(lì)磁涌流抑制。E-mail：XYX02468@163.com（通信作者）

（編輯 李冰）