油浸式電力變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)及其繞組熱點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算研究

王從龍，曾 祺

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的過程中，電網(wǎng)企業(yè)的發(fā)展與革新發(fā)揮了十分重要的作用。油浸式電力變壓器憑借自身具有較大容量、較好散熱性能以及較低能耗等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在電網(wǎng)建設(shè)中，作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)是否具有可靠性與電網(wǎng)整體的安全穩(wěn)定有直接關(guān)系。

油浸式電力變壓器運(yùn)行過程中繞組溫度的最高點(diǎn)稱為繞組熱點(diǎn)溫度，熱點(diǎn)溫度過高會(huì)影響變壓器設(shè)備的使用壽命，同時(shí)會(huì)造成額外的電力損耗，進(jìn)而影響企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益。通過有限體積法分析油浸式電力變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)及繞組熱點(diǎn)，并探討變壓器在不同環(huán)境溫度下運(yùn)行工況變化時(shí)的熱點(diǎn)溫度，間接體現(xiàn)了變壓器壽命延長(zhǎng)方式與負(fù)載能力的內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)為油浸式電力變壓器的熱點(diǎn)研究和變壓器設(shè)備日常運(yùn)行維護(hù)提供了有價(jià)值的參考意見。

1 油浸式電力變壓器傳熱方式

熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)以及熱輻射是油浸式電力變壓器內(nèi)部主要的熱量傳遞方式，變壓器內(nèi)部溫度升高在油流系統(tǒng)中形成熱虹吸效應(yīng)，熱量主要是在油流流動(dòng)中以熱對(duì)流的形式，借助于油流之間的溫度差進(jìn)行傳遞，進(jìn)而通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳至油箱的內(nèi)壁和外壁，最后熱量通過熱輻射的方式散發(fā)到變壓器周圍環(huán)境中[1,2]。

熱對(duì)流形式為：

式中，S1為對(duì)流換熱過程中熱量傳遞時(shí)所覆蓋的表面積；ε為對(duì)流換熱系數(shù)；T1和T2為熱對(duì)流過程中的散熱面和流體的實(shí)際溫度。

熱傳導(dǎo)形式為：

式中，Φ2為單位時(shí)間內(nèi)通過截面的熱量；S2為截面的面積；h為熱傳導(dǎo)系數(shù)；θ1和θ1為熱傳導(dǎo)過程中傳遞介質(zhì)的表面溫度；L為熱傳導(dǎo)過程中的有效距離。

熱輻射形式為：

式中，Φ3為兩表面之間的輻射散發(fā)熱量；S3為發(fā)生熱輻射的實(shí)際有效表面積；t1和t2為輻射散熱過程中兩種介質(zhì)的溫度；γ為輻射介質(zhì)的黑度；L0為黑體的輻射系數(shù)。

2 油浸式電力變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)的有限體積法分析

2.1 油浸式電力變壓器結(jié)構(gòu)模型

鑒于油浸式電力變壓器結(jié)構(gòu)比較特殊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由套管、油箱、鐵芯以及繞組等零件組成，如圖1所示，在進(jìn)行模型構(gòu)建設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行簡(jiǎn)化[1]。在此以XX集團(tuán)所生產(chǎn)的型號(hào)為SZ11-63000/110（110/10.5 kV）的油浸自冷式變壓器作為主要研究對(duì)象，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 油浸式電力變壓器結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)

2.2 變壓器內(nèi)部損耗分析

變壓器能量的損耗多部分是由磁阻和電阻造成的，其中鋼結(jié)構(gòu)、繞組以及鐵芯部分的損耗占據(jù)主要原因。變壓器總損耗可表示如下：

式中，Pt表示變壓器總損耗量的千瓦數(shù)；PNL表示空載損耗的千瓦數(shù)；PLL表示為負(fù)載損耗的千瓦數(shù)，其計(jì)算如下：

變壓器負(fù)載損耗主要由直流損耗和雜散損耗兩部分組成，其中雜散損耗為渦流和其他結(jié)構(gòu)的損耗之和，Pde=I2Rde為繞組電阻發(fā)熱產(chǎn)生的損耗千瓦數(shù)，渦流損耗千瓦數(shù)則用PEC表示，其他附件和變壓器的損耗用POSL表示?？蛰d損耗表示如下：

式中，P1和P2分別表示空載損耗中的鐵芯磁滯損耗和渦流損耗；ζH表示磁滯損耗的系數(shù)；f和ζC表示電流頻率系數(shù)和渦流損耗系數(shù)；Bm為磁通密度的最大值。

2.3 基于有限體積分析法的變壓器模型

有限體積分析法依據(jù)變壓器內(nèi)部由熱源向外不同的傳熱方式，同時(shí)分析能量、動(dòng)量以及質(zhì)量守恒定律的共同作用，對(duì)流體流動(dòng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，也可稱為控制體積法。該方法可以有效解決多場(chǎng)相互耦合問題，具體的計(jì)算方式是將計(jì)算區(qū)域分解成若干個(gè)微小單元，每個(gè)微小單元可分別解成溫度和速度兩個(gè)不同的變量。求解耦合的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)如下：

在變壓器內(nèi)部熱量傳遞過程中出現(xiàn)了相互耦合問題，滿足于Navier Stokes方程。質(zhì)量微分方程為：

式中，x、y、z分別為V、N、W的速度分量；J為變壓器密度；θ表示變壓器的油溫度；Sx、Sy、Sz則分別表示源項(xiàng)；P為變壓器壓力；K為該設(shè)備的導(dǎo)熱系數(shù)；K?2為調(diào)和算子；c為變壓器的比熱容；Q為微元生熱量；μ為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

3 網(wǎng)格無關(guān)性檢測(cè)及實(shí)例分析

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性檢測(cè)

網(wǎng)格準(zhǔn)確性是通過在額定負(fù)載的情況下選取網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行無關(guān)性檢測(cè)來驗(yàn)證的，驗(yàn)證曲線如圖2所示。圖2中顯示的網(wǎng)格數(shù)在3 000 000～4 000 000的某一點(diǎn)時(shí)，其鐵芯溫度及繞組處于平穩(wěn)狀態(tài)。為了使繞組和鐵芯的計(jì)算更加準(zhǔn)確，選用4 000 000～5 000 000的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬最為合適。

3.2 實(shí)例分析

以實(shí)際110 kV油浸自冷式變壓器運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行深入分析，其主要目的是為了驗(yàn)證計(jì)算模型的精確性和準(zhǔn)確性。通過油浸式變壓器三維溫度場(chǎng)計(jì)算對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖3所示。根據(jù)模擬及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在不同環(huán)境溫度下各項(xiàng)繞組熱點(diǎn)和溫度的相差數(shù)據(jù)可以看出，其各部分參數(shù)的平均誤差在2.4%左右。該熱點(diǎn)研究充分表明了其模擬效果為油浸式電力變壓器今后的研發(fā)提供了有價(jià)值的參考意見[3]。

3.3 結(jié)果與分析

油浸式電力變壓器周圍環(huán)境與其運(yùn)行狀況存在密切聯(lián)系，變壓器的內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布和繞組熱點(diǎn)溫度會(huì)受環(huán)境因素的影響。當(dāng)環(huán)境溫度為27 ℃時(shí)，正常負(fù)載情況下的變壓器繞組溫度呈現(xiàn)出階梯狀分布，頂部溫度高，底部溫度低，當(dāng)變壓器內(nèi)部溫度處于同一水平線時(shí)，其低壓繞組的溫度均高于高壓及中壓，此時(shí)繞組最熱點(diǎn)則出現(xiàn)在低壓繞組上部，為324 K。當(dāng)環(huán)境溫度保持一致，變壓器負(fù)載率達(dá)到130%時(shí)，變壓器的繞組熱點(diǎn)溫度達(dá)365 K，與平時(shí)正常負(fù)載情況下相比，超出了41 K，同時(shí)變壓器內(nèi)部溫度與繞組溫度的分布趨勢(shì)相同，頂部溫度高出底部溫度。

當(dāng)環(huán)境度溫度為33 ℃時(shí)，變壓器正常負(fù)載運(yùn)行時(shí)，雖然各內(nèi)部零件溫度都在安全溫度內(nèi)，但設(shè)備整體溫度偏高。通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證變壓器負(fù)載工況下的繞組損耗和內(nèi)部溫度場(chǎng)及繞組熱點(diǎn)的關(guān)系。隨著負(fù)載率的增加，熱點(diǎn)溫度急劇上升，變壓器負(fù)載率達(dá)到130%時(shí)，變壓器的繞組熱點(diǎn)溫度達(dá)386 K，導(dǎo)致熱點(diǎn)溫度急劇上升的主要原因是變壓器運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散出[4,5]。在這種溫度環(huán)境下運(yùn)行，過高的內(nèi)部溫度及熱點(diǎn)溫度會(huì)加速變壓器的絕緣老化，縮短其正常運(yùn)行年限。

4 結(jié) 論

基于有限體積分析法模擬計(jì)算110 kV油浸式電力變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)和繞組熱點(diǎn)，并分析其在不同環(huán)境溫度和不同運(yùn)行工況時(shí)的熱點(diǎn)溫度及其位置，得出以下結(jié)論。一是油浸式電力變壓器在正常負(fù)載工況運(yùn)行時(shí)，環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)變壓器本身的散熱產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響變壓器內(nèi)部平均溫度和繞組熱點(diǎn)溫度的數(shù)值。二是變壓器在額定工況運(yùn)行時(shí)，隨著變壓器周圍環(huán)境溫度的升高，變壓器的內(nèi)部平均溫度及繞組溫度也會(huì)隨之升高，但其內(nèi)熱點(diǎn)溫度不會(huì)超過限定值。若變壓器處于過載工況運(yùn)行時(shí)，此時(shí)周圍環(huán)境溫度的升高會(huì)降低變壓器本身的散熱效率，進(jìn)而導(dǎo)致熱點(diǎn)溫度達(dá)到甚至超過規(guī)定限值，變壓器在這種環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)使得絕緣受到破壞，進(jìn)而使得變壓器出現(xiàn)故障或者縮短其使用壽命。三是油浸式電力變壓器在不同工況下運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部溫度場(chǎng)和繞組熱點(diǎn)溫度具有相似的分布趨勢(shì)，內(nèi)部溫度會(huì)隨著負(fù)載的增大而逐漸升高，繞組熱點(diǎn)溫度亦是如此。為了避免變壓器在實(shí)際運(yùn)行中因溫度大幅度變化而對(duì)設(shè)備本身產(chǎn)生損害，需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得繞組熱點(diǎn)溫度的數(shù)值，并采取適當(dāng)?shù)纳岱绞?，以避免變壓器繞組熱點(diǎn)溫度超過變壓器正常運(yùn)行的溫度標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)變壓器造成損害。