干式變壓器熱平衡溫度影響因素的實驗研究

張元海，段佩怡，張栓柱

（1.廣東水電二局股份有限公司，廣州 510341；2.東南粵水電投資有限公司，?？?570208；3.濱州粵水電能源公司，山東 濱州 256812）

0 引言

干式變壓器的使用壽命往往取決于絕緣層的壽命，而對絕緣材料影響最大的因素是溫度，一旦溫度超過其耐熱值，絕緣層會被破壞，變壓器不能正常工作[1-2]。運行溫度變化大是干式箱變在使用過程中的一個重要問題，變壓器等電氣元器件安設(shè)在封閉式箱體內(nèi)，隨著變壓器等發(fā)熱器件發(fā)熱，如果箱體散熱性能不良，長期過高的運行溫度會降低箱變內(nèi)部元器件的使用壽命，甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)等安全事故。變壓器作為關(guān)鍵的電力設(shè)備，電能若要在電力網(wǎng)中不突然變化地傳送就要依靠它，其可以保證電能的正常調(diào)配、使用不出現(xiàn)問題，減少運營成本[3]。

干式變壓器冷卻方式為自然空氣冷卻（AN）和強迫空氣冷卻（AF）[4]，為了保證變壓器安全可靠運行，大多數(shù)通過干式變壓器底部安裝風(fēng)機對其進行強迫風(fēng)冷散熱[5]。使用過程中為了降低箱變內(nèi)的溫度，采用自然通風(fēng)和機械通風(fēng)將箱變內(nèi)的熱量及時散發(fā)掉，使溫度保持在標準允許值以內(nèi)。機械通風(fēng)方式是在變壓器底部及上部設(shè)置進、排風(fēng)口，使得箱變內(nèi)外形成空氣對流，通過內(nèi)外空氣的熱交換降低箱變內(nèi)溫度。風(fēng)機的風(fēng)量是箱變設(shè)計中的重要參數(shù)，一定風(fēng)量下使箱變內(nèi)形成的散熱量需要與發(fā)熱量相當，達到熱平衡才能使箱變內(nèi)的溫度保持在一定數(shù)值內(nèi)。

現(xiàn)有文獻對通風(fēng)散熱的研究主要集中在對通風(fēng)口位置、通風(fēng)口面積等優(yōu)化對箱變的熱平衡的影響，采用軟件模擬計算方法進行研究。郭盛等[6]模擬室內(nèi)變電站送風(fēng)口尺寸、送風(fēng)口位置、送風(fēng)溫濕度和送風(fēng)量對室內(nèi)環(huán)境的綜合控制，建立多種室內(nèi)變電站通風(fēng)方式模型，并在Fluent軟件中進行溫度和通風(fēng)走勢的模擬，通過對比分析得出最優(yōu)通風(fēng)布置模式。趙博文[7]通過ANSYS CFX模擬了變壓器通風(fēng)口位置布置方式對通風(fēng)散熱的影響，發(fā)現(xiàn)底部增加進風(fēng)口對通風(fēng)散熱效果較好。以上研究均從軟件模型模擬的角度對箱變內(nèi)的通風(fēng)散熱進行研究，但是從試驗角度出發(fā)的較少，本文對干式變壓器熱平衡溫度影響因素進行了試驗研究，明確了干式變壓器溫度控制的主要因素，對于干式變壓器設(shè)計及使用中溫度控制提供一定的參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料與裝置

根據(jù)某濱海風(fēng)電場的CBW-2200/35箱變?yōu)樵?，根?jù)幾何相似原理，以長度1∶3的比例縮小制作箱變模型（尺寸1.9 m×1.06 m×0.95 m），試驗現(xiàn)場如圖1所示。箱變模型內(nèi)分為低壓室、變壓器室和高壓室、鋁合金邊框及底座4個主要部分，選用HYY22A電熱爐（功率1000/1200/2200 W）放置在變壓器室啟動時產(chǎn)生熱量模擬干式變壓器設(shè)備散熱，進風(fēng)口、排風(fēng)口分別設(shè)置在變壓器室的左下角及右上角，用百葉窗進行遮擋，出風(fēng)口設(shè)置排風(fēng)扇，同時，用空壓機（型號1500-50-2，排氣量270 L/min）代替輻流風(fēng)機給變壓器室底部送風(fēng)，在變壓器室采用MIKWZP溫度探頭（測溫范圍-50～200℃，精度A級）在試驗中進行溫度監(jiān)測，溫度探頭1～12位置如圖1所示，其中進風(fēng)口外側(cè)為溫度探頭3，排風(fēng)口外側(cè)為溫度探頭4。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 試驗測溫裝置示意圖

在試驗過程中，先打開電熱爐，排風(fēng)扇和空壓機保持關(guān)閉狀態(tài)，使溫度上升至試驗?zāi)繕藴囟群笤匍_啟排風(fēng)扇及空壓機，當溫度降低達到平衡后，關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，重復(fù)試驗調(diào)整目標溫度。本次試驗的工況如表1所示。

表1 試驗工況表

1.2 干式變壓器通風(fēng)量計算方法

根據(jù)相關(guān)文獻、設(shè)計手冊[8-12]中關(guān)于干式變壓器通風(fēng)計算方法以及山東省沾化濱海風(fēng)電場的CBW-2200/35箱變廠家通風(fēng)量的計算方法，兩者計算方法一致，通風(fēng)量計算公式如下：

式中：L為變壓器室的設(shè)計通風(fēng)量，m3/s；Q為變壓器散熱量，kW；Cp為空氣比熱容，取Cp=1.01 kJ/(kg·℃)；D為空氣密度，kg/m3；tin、tex分別為進、排風(fēng)溫度，對于直接從室外吸風(fēng)的，tin應(yīng)取當?shù)赝L(fēng)室外計算溫度，對于干式變壓器室，tex≤40℃，進排風(fēng)溫度差不應(yīng)超過15℃；M為空氣利用系數(shù)，0～1；p為大氣壓強，Pa。

通過通風(fēng)量計算公式可以得出，進排風(fēng)口溫度決定了通風(fēng)量的大小，進風(fēng)口溫度為環(huán)境溫度，人為不可控制進風(fēng)口的自然溫度，只能通過機械強制通風(fēng)，降低排風(fēng)口溫度，對于干式變壓器，在箱變的設(shè)計過程中，通常采用人為經(jīng)驗確定排風(fēng)口溫度，但通過本次試驗發(fā)現(xiàn)，這種方法是不可取的，排風(fēng)口溫度會出現(xiàn)超過人為設(shè)計溫度現(xiàn)象，排風(fēng)口的溫度不僅與發(fā)熱量有關(guān)，反過來還與通風(fēng)量有關(guān)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 箱變內(nèi)溫度分布情況

在試驗開啟后，箱變內(nèi)各點的溫度變化均分為3個階段：溫度上升階段（0～18 min）、溫度下降階段（18～24 min）和溫度趨于平衡階段（24～36 min），如圖3所示，在18 min時刻開啟試驗排風(fēng)系統(tǒng)后，變壓器室各點溫度在7 min之內(nèi)迅速達到平衡溫度。

圖3 變壓器室溫度監(jiān)測點溫度曲線

對于變壓器室，在溫度上升、下降及平衡階段各點溫度的由大到小依次為6號點、5號點、4號點、3號點、2號點、1號點，即靠近發(fā)熱體的5號點和6號點的溫度最高，變壓器室內(nèi)上部溫度（3號點和4號點）高于下部溫度（1號點和2號點），因此在變壓器室的溫度梯度及由排風(fēng)系統(tǒng)形成的對流散熱路徑如圖4所示。

圖4 變壓器室溫度梯度及對流散熱路線

對于高壓室和低壓室，如圖5所示，除了溫度上升和下降階段各點的溫度有所差異外，各點的平衡溫度沒有明顯差異，說明平衡階段高壓室和低壓室內(nèi)溫度均勻分布，這是由于高壓室和低壓室均沒有空氣對流的原因。高壓室和低壓室的溫度升高與降低是由變壓器室的溫度輻射影響的，因此整體溫度都比變壓器室的溫度低，低壓室由于空間小，中心點離變壓器室較近，平衡溫度比高壓室高3℃左右。對于高壓室和低壓室溫度的控制取決于變壓器室溫度的控制，因此變壓器室的通風(fēng)與散熱是箱變溫度控制的重點。

圖5 高壓室、低壓室溫度監(jiān)測點溫度曲線

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)啟動溫度對熱平衡的影響

通常情況在箱變內(nèi)溫度達到一定值時，會啟動通風(fēng)系統(tǒng)進行通風(fēng)，箱變內(nèi)的溫度會逐漸降低，達到平衡值。在實際運行過程中，當箱變內(nèi)溫度過高時，運行人員通常會降低通風(fēng)系統(tǒng)啟動溫度以降低平衡溫度，但是根據(jù)干式變壓器通風(fēng)量計算方法，平衡溫度在進風(fēng)口溫度和出風(fēng)口溫度之間，當進風(fēng)口溫度一定時，出風(fēng)口溫度只與通風(fēng)量有關(guān)，因此，干式變壓器平衡溫度與通風(fēng)系統(tǒng)啟動溫度關(guān)系不大，這與實驗得到的結(jié)果一致，當將通風(fēng)系統(tǒng)的啟動溫度從40℃提高到50℃再到60℃的過程中，變壓器室內(nèi)各點的平衡溫度基本保持一致，如圖6所示，1～5號點的最終的平衡溫度分別為30℃、34℃、37℃、41℃、45℃，與通風(fēng)系統(tǒng)啟動時的溫度無必然聯(lián)系。

圖6 變壓器室各點不同啟動溫度下的溫度變化情況

2.3 通風(fēng)模式對熱平衡的影響

部分干式變壓器箱變的變壓器室，會在干式變壓器底部設(shè)置向上送風(fēng)的風(fēng)機，加強變壓器室內(nèi)空氣流動。本文通過對干式變壓器底部不設(shè)風(fēng)機和設(shè)置風(fēng)機兩種情況進行了對比實驗，如圖7所示，為干式變壓器底部不設(shè)置風(fēng)機和安設(shè)風(fēng)機時變壓器室內(nèi)溫度最高點5號點的溫度變化曲線，在1～10 min開啟加熱器，當溫度上升到65℃時關(guān)閉加熱器，當溫度降低到35℃時同時打開加熱器和通風(fēng)設(shè)備，干式變壓器底部安設(shè)風(fēng)機的試驗組同時開啟風(fēng)機。干式變壓器底部設(shè)置風(fēng)機的變壓器室內(nèi)溫度在35 min左右上升到最高溫度50℃，而不設(shè)置風(fēng)機的變壓器室內(nèi)溫度在30 min左右就上升到最高溫度50℃。干式變壓器底部設(shè)置風(fēng)機的變壓器室內(nèi)溫度上升速度要小于底部不設(shè)置風(fēng)機的室內(nèi)溫度。但變壓器室內(nèi)干式變壓器底部設(shè)置風(fēng)機和不設(shè)置風(fēng)機的熱平衡溫度卻逐漸趨于一致，如圖8所示，雖然底部設(shè)置風(fēng)機的箱變內(nèi)部溫度攀升的速度比底部不設(shè)風(fēng)機的慢，但是兩者的平衡溫度最終都保持在42℃左右，說明干式變壓器最終的熱平衡不受通風(fēng)模式的影響，只對達到熱平衡的過程有一定影響。

圖7 不設(shè)置底部風(fēng)機和設(shè)置底部風(fēng)機時箱變的溫度變化情況

圖8 不設(shè)置底部風(fēng)機和設(shè)置底部風(fēng)機時箱變的熱平衡

3 結(jié)束語

本文對干式變壓器箱變的熱平衡進行了試驗研究，結(jié)果表明箱變內(nèi)的從進風(fēng)口到出風(fēng)口有兩條溫度升高梯度路線，同時以變壓器為發(fā)熱中心，向四周輻射熱量，變壓器室的通風(fēng)與散熱是箱變溫度控制的重點。采用控制單一變量并重復(fù)多次試驗的方法，得出以下結(jié)論：（1）不同溫度下啟動通風(fēng)系統(tǒng)，箱變內(nèi)部各點的溫度變化趨勢保持一致，隨著通風(fēng)系統(tǒng)的開啟，會逐漸達到熱平衡，干式變壓器熱平衡與通風(fēng)系統(tǒng)的啟動溫度沒有明顯關(guān)系；（2）不同通風(fēng)模式下，平衡溫度最終都保持相同，干式變壓器熱平衡不受通風(fēng)模式的影響；（3）根據(jù)通風(fēng)量計算公式，干式變壓器熱平衡與箱變的散熱與通風(fēng)量以及進風(fēng)口溫度有關(guān)。