基于ANSYS CFX的變壓器繞組溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究*

姚 鑫， 張長(zhǎng)勝， 李英娜， 趙振剛， 段朝磊， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

在電力系統(tǒng)的正常工作運(yùn)行中，電力變壓器占有著很重要的地位[1～4]。從現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外每年都會(huì)出現(xiàn)一定數(shù)量的變壓器事故，事故嚴(yán)重影響了居民的日常生活以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。其從1998 年2月到2001年10月間整個(gè)電力系統(tǒng)中35 kV變壓器到750 kV變壓器的故障以及事故總數(shù)達(dá)到了689次，其中，繞組的故障比例為17 %[5]，因此有效地對(duì)繞組溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以一定程度上避免由變壓器故障引起的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)繞組溫度監(jiān)測(cè)做了大量研究[6～16]。石碧薇分析了諧波情況下的繞組損耗以及遲滯損耗，通過(guò)對(duì)損耗的分析得出所產(chǎn)生的熱量，即利用有限元分析法對(duì)變壓器內(nèi)部的熱量進(jìn)行仿真分析,得出繞組的最熱點(diǎn)在繞組上方大約1/4的位置處[17]。文獻(xiàn)[18]對(duì)變壓器的繞組的溫升影響因素進(jìn)行了研究，通過(guò)110 kV油浸式變壓器的模型，利用ANSYS軟件對(duì)變壓器的熱流場(chǎng)進(jìn)行分析，得出了繞組中油道的大小以及散熱面的面積均會(huì)影響繞組的最熱點(diǎn)溫度的高低。

本文將利用Maxwell電磁仿真軟件計(jì)算變壓器在穩(wěn)定滿載運(yùn)行過(guò)程中各部分損耗情況，將得出的損耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為發(fā)熱載荷輸入ANSYS CFX中對(duì)該35 kV油浸式變壓器熱油的流動(dòng)分布情況進(jìn)行研究。從60，120 min兩個(gè)時(shí)間段對(duì)繞組的溫度分布進(jìn)行仿真分析，找出最熱點(diǎn)分布以及相應(yīng)的溫度值，并對(duì)實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

1 變壓器繞組發(fā)熱與傳導(dǎo)原理

繞組在變壓器內(nèi)部的作用主要是產(chǎn)生磁通量以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是變壓器內(nèi)部電流的載體。繞組分為高壓繞組和低壓繞組2部分，接入到高壓電網(wǎng)的部分稱(chēng)為高壓繞組，接入到低壓電網(wǎng)的部分稱(chēng)為低壓繞組。由于變壓器內(nèi)部的油具有流動(dòng)性，繞組溫度受其影響。

熱分析滿足能量守恒定律，即一個(gè)非開(kāi)放系統(tǒng)有

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

(1)

式中Q為熱量；W為做功；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE為系統(tǒng)動(dòng)能；ΔPE為系統(tǒng)勢(shì)能。

熱傳導(dǎo)滿足以下定律

(2)

式中qn為熱流密度；k為導(dǎo)熱系數(shù)；“-”為熱量溫降方向。

熱對(duì)流包含自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。滿足

qn=h(TS-TB)

(3)

式中h為對(duì)流換熱系數(shù)；TS為固體表面的溫度;TB為固體附近流體的溫度。

繞組和變壓器油以及鐵芯和變壓器油之間均存在一定的溫度差，則鐵芯以及繞組的表面與變壓器油進(jìn)行熱傳遞。

2 35 kV油浸式變壓器繞組模型建立

35 kV油浸式變壓器的型號(hào)為S13—12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器，額定容量為12 500 kVA，高壓為35 kV，低壓為5.3 kV。繞組連接方式采用的是YNd11,如圖1所示。連接組別中“Y”為高壓側(cè)為星形接線；“d” 為低壓側(cè)為三角形接線；“N”為一次帶中線；“11”為一次的UAB的向量指向時(shí)鐘的12點(diǎn),而二次的Uab的向量指向時(shí)鐘的11點(diǎn)鐘方向,即變壓器低壓側(cè)的線電壓Uab滯后高壓側(cè)線電壓UAB330°(或超前30°)。高壓線電壓35 kV正弦電壓，低壓線電壓5.3 kV正弦電壓，電壓變比為6.6︰1，高低壓同相繞組電壓相位差為11點(diǎn)鐘方向。

圖1 變壓器繞組YNd11接線

使用ANSYS Workbench進(jìn)行幾何建模，針對(duì)變壓器繞組的模型進(jìn)行建模繪制工作，在繪制過(guò)程中將模型對(duì)稱(chēng)于XZ平面與YZ平面，如圖2所示。

圖2 變壓器繞組模型仿真

3 分 析

為分析高低壓繞組內(nèi)部最熱點(diǎn)分布情況，對(duì)高低壓繞組進(jìn)行了剖切，通過(guò)高低壓繞組的分布云圖，確定變壓器的熱點(diǎn)分布。在仿真中，分別選取了60,120 min兩個(gè)時(shí)間段分析繞組鐵芯的溫度分布情況,如圖3。

本文所研究的變壓器為三相油浸式變壓器，所以在分析時(shí)對(duì)變壓器的A，B，C三相的高低壓繞組均進(jìn)行了仿真。結(jié)果如變壓器工作60 min時(shí)，可以看出：低壓繞組熱點(diǎn)位于C相繞組的右側(cè)外表面中部位置，其最熱點(diǎn)溫度值為319.6 K。變壓器工作120 min時(shí)，可以看出：最熱點(diǎn)溫度分別位于B相繞組以及C相繞組，最熱點(diǎn)的溫度值為348.5 K。在B相繞組中，其最熱點(diǎn)位于左側(cè)外表面的中部；在C相繞組中，其最熱點(diǎn)位于右側(cè)外表面的中部。

圖3 60 min和120 min時(shí)低壓繞組溫度分布云圖

分別對(duì)高壓繞組的整體模型以及切面模型進(jìn)行仿真。如圖4所示。變壓器工作60 min時(shí)，可以看出：A相高壓繞組的內(nèi)表面溫度最高，最熱點(diǎn)溫度值為311.8 K。從其切面圖可以看出：A相高壓繞組的熱點(diǎn)集中在左側(cè)。因此，60 min時(shí)，變壓器的高壓繞組的最熱點(diǎn)位置在A相高壓繞組的左側(cè)中部的內(nèi)表面。變壓器工作120 min時(shí)，可以看出， B與C相高壓繞組均具有最熱點(diǎn)的分布，其中，B相高壓繞組的左右側(cè)以及內(nèi)外表面均具有最熱點(diǎn)分布，且分布于中部的位置；C相高壓繞組的最熱點(diǎn)位于右側(cè)外表面的中部，最熱點(diǎn)的溫度值為337.5 K。

圖4 60 min和120 min時(shí)高壓繞組溫度分布云圖

為了測(cè)試光纖光柵傳感器的測(cè)溫性能，運(yùn)用光纖光柵傳感器測(cè)溫。為獲得變壓器內(nèi)部組件的溫度分布，尤其是準(zhǔn)確獲取繞組熱點(diǎn)溫度，在35 kV變壓器樣機(jī)繞組布置了4只耦合器，共34支光纖光柵傳感器。本文在繞組中埋置傳感器時(shí)有兩種方式，即段間埋設(shè)和匝間埋設(shè)，其中繞組中在3#稱(chēng)條中2～55段間埋設(shè)了8只傳感器，7#稱(chēng)條埋設(shè)了6只傳感器，并且在5#～6#撐條間第7段匝間埋設(shè)1只傳感器，在6#～7#撐條間第9段匝間埋設(shè)1只傳感器。

為確保光纖光柵傳感器在變壓器制造過(guò)程中不被損壞并具有良好的測(cè)溫性能，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：1)在線圈繞制階段中預(yù)埋光纖光柵傳感器的聚四氟乙烯薄片，聚四氟乙烯鉆孔面均處于內(nèi)徑側(cè)，以避免光纖受到較大拉力，甚至引起光柵損壞；2)保證聚四氟乙烯鉆孔的尺寸能夠滿足光纖在槽中的伸縮裕度，以避免產(chǎn)生光纖的彎曲損耗；3)所開(kāi)孔位于電磁線寬面中央，避開(kāi)線餅間邊角最大的場(chǎng)強(qiáng)畸變區(qū)域；4)所開(kāi)小槽面積占電磁線截面面積的4.5 %，電磁線截面積減小引起載流能力和機(jī)械強(qiáng)度略微降低，可通過(guò)適當(dāng)增大該電磁線截面尺寸進(jìn)行彌補(bǔ)。

實(shí)驗(yàn)分60，120 min兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期整理，繞組在光纖傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控下第一次被采集的數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 60 min和120 min低壓繞組高壓繞組溫度曲線

由圖5可知：60 min變壓器低壓繞組最熱點(diǎn)位于C相繞組，為46.6 ℃，高壓繞組最熱點(diǎn)溫度位于A相繞組，為38.8 ℃；120 min變壓器低壓繞組最熱點(diǎn)位于B相繞組，為75.5 ℃，高壓繞組最熱點(diǎn)溫度位于C相繞組，為65.4 ℃；變壓器繞組中部溫度整體較上部和下部高，且隨著變壓器工作時(shí)間延長(zhǎng)，變壓器整體溫度升高；變壓器整體低壓繞組溫度較高壓繞組溫度高。實(shí)際測(cè)得溫度數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)相仿，該實(shí)驗(yàn)成立。

4 結(jié) 論

1)變壓器工作室時(shí)間為120 min時(shí)，為變壓器最熱點(diǎn)溫度時(shí)刻，低壓繞組最熱點(diǎn)位于B相繞組，為75.5 ℃，高壓繞組最熱點(diǎn)溫度位于C相繞組，為65.4 ℃；

2)變壓器繞組中部溫度整體較上部和下部高，且隨著變壓器工作時(shí)間延長(zhǎng)，變壓器整體溫度升高；

3)變壓器整體低壓繞組溫度較高壓繞組溫度高。

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