天然酯油與礦物油配電變壓器溫升特性仿真分析

郭獻(xiàn)清，孫文藝，吳紅菊

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東 中山 528451）

0 引言

礦物質(zhì)油作為變壓器用絕緣油約占油浸式變壓器總量的99%，是目前油浸式配電變壓器中最廣泛采用的絕緣材料。礦物絕緣油具有絕緣性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好以及成本低等特點，但其降解時間長，環(huán)保性能差。相關(guān)研究表明，礦物質(zhì)絕緣油的生物降解率僅有30%左右，一旦發(fā)生泄漏，礦物質(zhì)絕緣油會長期存留在土壤中，引發(fā)土壤結(jié)構(gòu)變化，對周圍環(huán)境造成不可逆的傷害，而且隨著石油資源的過度開發(fā)，終將面臨能源緊缺和枯竭，這些問題將會制約未來油浸式變壓器的發(fā)展。隨著人們環(huán)保意識的增強和環(huán)境承載的飽和，業(yè)內(nèi)對絕緣油的性能提出了更高的要求。天然酯油來源于植物油料，原料可重復(fù)再生，產(chǎn)量可人為調(diào)節(jié)，自然降解時間短，生物降解率高，相比于礦物油變壓器具有更長的壽命和更強的過負(fù)載能力，是礦物絕緣油的理想迭代產(chǎn)品，但天然酯油與傳統(tǒng)礦物絕緣油相比，其導(dǎo)熱系數(shù)較大、黏度大，直接將礦物絕緣油替換為天然酯絕緣油會對變壓器整個絕緣系統(tǒng)的散熱產(chǎn)生重大影響。因此開展天然酯油配電變壓器的溫度-流體場仿真研究，分析并對比礦物油與天然酯油在變壓器內(nèi)溫度分布和油流速差異，可以為天然酯絕緣油變壓器的設(shè)計與改進(jìn)、天然酯油理化特性的改善等提供依據(jù)，具有重要的工程意義。

隨著以有限元法為代表的仿真計算的發(fā)展，國內(nèi)外多采用仿真分析電氣設(shè)備的溫升特性及流體場分布等[1]。目前，研究絕緣油在變壓器內(nèi)溫度和流場分布多采用溫度-流體場耦合的仿真方式。丁仁杰、方福歆等[2-3]分別對極寒條件下和考慮鐵損分布情況下變壓器溫度-流場進(jìn)行了仿真分析，但其搭建的變壓器模型均為二維模型，在一定程度上會影響溫度場求解結(jié)果的精度。宋友，阮江軍等[4]對不同絕緣油的電力變壓器進(jìn)行仿真分析，但是沒有將天然酯油與礦物油因黏度差異而引起流速不同的因素加以考慮。Mechkov E等[5]對160 kVA的油浸式配電變壓器進(jìn)行溫度場分布研究，得到了隨溫度變化的熱場分布，但絕緣油的動力黏度等參數(shù)并不是一個常量，而是隨溫度非線性變化，因此其油流速與溫度之間的耦合關(guān)系并不能完全忽略。韋瑋、李鑫等[1]利用有限元仿真軟件對天然酯油電力變壓器運行時的溫度場分布進(jìn)行了研究分析，并得到配電變壓器的整體溫度分布趨勢及最熱點溫升，但溫度－流體場的耦合模型對于計算機的硬件消耗十分巨大，特別在三維下，對于內(nèi)存的要求更是極高。

本文以礦物質(zhì)絕緣油配電變壓器為例，建立其三維有限元仿真模型，在充分考慮絕緣油材料參數(shù)隨溫度非線性變化等因素的基礎(chǔ)上搭建溫度-流體場多物理場耦合仿真平臺進(jìn)行分析，并利用變壓器內(nèi)外溫度差模擬變壓器運行中產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。經(jīng)仿真試驗，該方法在保證求解精度的同時可以大大縮短仿真時間，減少計算量，提高仿真過程中的收斂性。

2 變壓器模型及仿真平臺搭建

2.1 變壓器溫度場與流場數(shù)學(xué)模型

在變壓器的實際運行中，變壓器鐵心、繞組產(chǎn)生的熱量將使鐵心和繞組的溫度逐步升高。最初，溫度上升很快，但隨著鐵心和繞組溫度的升高，它們與周圍的冷卻介質(zhì)就會有一定的溫差，這時繞組和鐵心就會將部分熱量傳遞到周圍的介質(zhì)中去，從而使周圍的介質(zhì)溫度升高。此時，由于繞組及鐵心有一部分熱量傳給周圍介質(zhì)，因此本身溫度的上升速度就會逐漸減慢，經(jīng)過一段時間，繞組和鐵心溫度最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時溫度不再繼續(xù)升高，產(chǎn)生的熱量將全部傳遞到周圍的介質(zhì)中，達(dá)到熱平衡狀態(tài)[6]。

結(jié)合變壓器產(chǎn)生熱量的傳遞方式，在進(jìn)行變壓器溫度-流體場仿真的過程中，需要對傳熱場和層流場進(jìn)行耦合，其核心控制方程為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程。笛卡爾坐標(biāo)系下的控制方程如下所示。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：ρ為流體的密度；u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量。

（2）動量守恒方程

式中：p為表面壓力；ρg、xρgy、ρg為體積力；μ為動力黏度；t為時間。

（3）能量守恒方程

式中：V為速度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；cp為比熱容；T為溫度；S為廣義源項。

2.2 變壓器溫度場與流場物理模型

2.2.1 配電變壓器簡化模型

本文以油浸式配電變壓器為原型，依據(jù)變壓器的實際結(jié)構(gòu)，考慮在進(jìn)行變壓器三維流體-溫度場仿真過程中，流體場在進(jìn)行迭代計算時，其收斂性對模型網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，且在模型網(wǎng)格數(shù)量較多時，仿真計算量較大，過程復(fù)雜，因此對實際的變壓器三維模型進(jìn)行簡化，建立了如圖1（a）所示的三維變壓器簡化模型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1（b）所示，變壓器主要參數(shù)為：繞組內(nèi)半徑為145 mm，外半徑為220.2 mm，繞組高為192 mm；變壓器鐵心為硅鋼片疊壓而成；夾件尺寸為600 mm×230 mm×1 700 mm的弓形鋼結(jié)構(gòu)，其厚度為10 mm上下夾件拉桿尺寸為630 mm×112 mm×70 mm的U字形鋼結(jié)構(gòu)，其厚度為15 mm?；叽鐬?70 mm×60 mm×30 mm，變壓器油箱尺寸為2 000 mm×1 200 mm×1 800 mm，箱體厚度為10 mm。

圖1 變壓器三維物理模型

2.2.2 配電變壓器絕緣油物性參數(shù)設(shè)置

對于油浸式配電變壓器，熱浮力是導(dǎo)致變壓器油流動進(jìn)而將熱量傳遞的主要因素[3]。熱浮力的大小以及油流的發(fā)展同變壓器油本身的參數(shù)密切相關(guān)，而這些參數(shù)會隨著溫度的改變而發(fā)生變化，因此，對變壓器進(jìn)行溫度-流體場耦合分析時，需要對變壓器油比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、黏度等熱性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 礦物油及天然酯油部分物性參數(shù)

2.2.3 配電變壓器邊界條件設(shè)置

本文采用有限元方法計算油浸式變壓器溫度和油流分布，計算前需確定初始條件及邊界條件。

（1）在油浸式變壓器溫度-流體場仿真過程中，本文采用設(shè)置變壓器內(nèi)外溫度的方法體現(xiàn)變壓器內(nèi)部熱量傳遞過程。因此，該過程滿足第一類邊界條件，即狄利克雷邊界條件。其變壓器繞組溫度設(shè)置為363 K，變壓器壁溫度設(shè)置為293.15 K。

（2）初始溫度與環(huán)境溫度均為293.15 K。

（3）變壓器流場計算設(shè)置初始條件為：變壓器油的初始速度設(shè)置為0 m/s，變壓器油的重力加速度為9.8 m/s2，方向為沿Z軸負(fù)方向。

（4）油箱壁、變壓器鐵心、高低壓繞組等固體部分邊界條件設(shè)定為無滑移。

3 仿真結(jié)果分析

利用第2章所搭建的配電變壓器仿真模型和仿真平臺進(jìn)行仿真計算，其天然酯油和礦物油變壓器內(nèi)部溫度分布云圖如圖2所示，從圖中可以看出，在相同時間內(nèi)，礦物油變壓器中熱量傳遞速度會更快，這是由于天然酯油動力黏度過大，在變壓器內(nèi)油流速較慢，因此其熱對流性差。

圖2 礦物油和天然酯油變壓器內(nèi)部溫度分布云圖

圖3所示為天然酯油和礦物油變壓器yz截面的溫度分布圖，從圖中可明顯觀察到變壓器內(nèi)最高溫度在繞組的頂部區(qū)域。這是因為變壓器油在溫度和重力的影響下，繞組附近的油被加熱，密度降低，使得溫度較高的油向上流動，溫度較低的油向下流動，從而出現(xiàn)變壓器頂部溫度整體大于底部溫度。由于本文采用設(shè)置變壓器內(nèi)外溫度差的方法模擬變壓器內(nèi)熱量的傳遞過程，因此會極大縮減變壓器內(nèi)溫度達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時間，但對于不同類型的變壓器絕緣油，其達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時間及溫度大小仍有細(xì)微的差別。

圖3 礦物油和天然酯油變壓器yz截面溫度分布

圖4所示為礦物質(zhì)油和天然酯油分別在變壓器內(nèi)部其平均溫度達(dá)到熱平衡狀態(tài)時的溫升，從圖中可以觀察到，礦物油相較于天然酯油可以更快地達(dá)到熱平衡狀態(tài)，且礦物油的平均溫度比天然酯油高0.2 K。

圖4 礦物油與天然酯油變壓器內(nèi)平均溫升對比

由于變壓器油在黏度等參數(shù)上的差異造成變壓器油的流動速度也各有不同，油流速將直接影響配變的散熱從而影響溫升。圖5所示為yz截面礦物油與天然酯油的油流速分布圖，根據(jù)流體力學(xué)可知，流體一般是從低溫處流向高溫處，從密度大的區(qū)域流向密度小的區(qū)域。仿真結(jié)果表明，繞組及鐵心端部的平均油流速度大于繞組及鐵心底部，絕緣油從油道從下往上流動，由于絕緣油與油箱壁及變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面有摩擦力的存在，使得絕緣油流動速度明顯下降。其在繞組上方油流動速度最大，各時間段下變壓器yz截面的最大流速如表3所示。

圖5 礦物油和天然酯油變壓器yz截面油流速分布

表3 各時間段下yz截面天然酯油和礦物油最大流速

由表3可看出，變壓器油流速大小隨時間下降，這是因為變壓器油的動力黏度隨溫度呈非線性變化，導(dǎo)致油流速下降。且天然酯絕緣油流動速度明顯低于礦物油流動速度，其中礦物絕緣油平均流速為133.501 mm/s，天然酯絕緣油平均油流速大小為124.138 mm/s。因此，礦物油直接替換為天然酯油時由于其動力黏度大的原因?qū)?dǎo)致天然酯油在變壓器內(nèi)平均流速下降，進(jìn)而影響變壓器的散熱能力。

4 結(jié)束語

本文采用有限元法對礦物油和天然酯油在變壓器內(nèi)的溫度-流體場分布進(jìn)行仿真分析，其結(jié)論如下。

（1）在同一個變壓器模型及仿真平臺下，天然酯油的溫度場與礦物油溫度場分布大體一致，均呈現(xiàn)變壓器頂部溫度偏高于底部溫度。

（2）相較于礦物油，天然酯油的動力黏度較高，油流速較慢，經(jīng)仿真分析，天然酯油平均流速較礦物油低9.363 mm/s，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部的熱對流性差，因此在使用天然酯變壓器油替換礦物油時需要改善散熱系統(tǒng)。

（3）由仿真可看出，雖然由于天然酯油的動力黏度大于礦物油，導(dǎo)致其油流速較慢影響變壓器散熱，但天然酯油在環(huán)保、防火性方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于礦物絕緣油，若進(jìn)一步改進(jìn)油浸式變壓器散熱結(jié)構(gòu)和天然酯油的部分理化性能，提升天然酯油變壓器的散熱能力，天然酯油作為礦物絕緣油良好的替代品，在未來具有良好的發(fā)展前景。