油浸式变压器的冷却结构改进研究

张成名

（大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂设备部电气点检,075121）



油浸式变压器的冷却结构改进研究

张成名

（大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂设备部电气点检,075121）

摘要：油浸式变压器以其散热好、损耗低、容量大、价格低的优点在电力行业得到了广泛的应用，然而其散热效果不理想的弊端也越发的凸显。本文简单阐述了油浸式变压器的发热及散热原理，提出了优化冷却结构的方法。

关键词：油浸式变压器；冷却结构；原理；方法

1　油浸式变压器发热和冷却原理

科学技术的日新月异使得变压器的技术逐步成熟，变压器的类型也在不断的增多，固体绝缘变压器、高温超导变压器等新型的变压器在工业领域中得到了应用和发展。相较于其他类型的变压器，油浸式变压器以其噪音低、容量大、耗损低的优势成为目前电网运行中使用最多的产品。

油浸式变压器主要由铁心、绕组、油箱及绝缘套管这四部分组成，铁心上缠绕着由导线绕制而成的线圈，线圈和绕组共同组成变压器的器身，变压器器身放置在充满着变压器油的油箱内。变压器油既是冷却介质，同时也起绝缘作用。变压器在运行的过程中，铁心和绕组在运转的过程中不可避免的会产生能量的损耗，这些损耗的能量转变为热能，从铁心和绕组的内部传递到器身表面，再由器身表面传递到油箱中的变压器油，会使得整个变压器的温度升高。变压器热量以传导、对流和辐射的方式进行超导，散热时器身的温度通过温差从内部传到油箱,再由油箱或散热装置通过对流散到周围的空气中去。近年来,由于人们的环保意识不断增强,对噪音限制提出了更高的要求,很多变压器厂商正努力在大型变压器上使用自然油循环自然风冷却的冷却方式以减小噪声、控制油流带电、降低运行成本。

随着电力需求量的不断增加和对供电可靠性的要求不断的提高，对油浸式变压器冷却结构进行改造以实现减少损耗，节约成本成为国内外变压器行业面临的一个迫切问题。

2　冷却结构的改进

油浸式变压器由于油的循环方式不同，其冷却方式也各有差异，冷却结构的改进也有着很大的差别，本文对油浸自冷式冷却结构的变压器的冷却结构进行改进。

2.1变压器油流对散热功能的影响

油浸式自冷变压器的冷却流程是当变压器油箱中的油升高到一定温度时，变压器油的密度会降低，经油管流入散热装置，通过散热装置和油箱壁将热量传递出去，热量传递出去后，变压器油的密度就回相应的增加。经过散热装置散热后的油再次进入变压器绕组中，然后又被器身加热，如此循环。

研究发现，单位面积所散发的热量与冷却介质的性质、冷却表面的温度、形状和位置有关，除此之外以液体冷却介质的散热结构，其散热量的大小还与液体的密度、热容量和对流散热系数有关。

式中字母h表示的是对流换热系数，S代表的是对流散热面积，tw表示的作为冷却介质的流体，tf为避免的温度。

式中qλ代表温差为1摄氏度时，辐射体单位表明辐射出的热量，T1表示的是辐射体的绝对温度，T2表示的是空气的绝对温度，C表示的是辐射体的散发的热量常数。

由于冲击射流的传热系数要比横向流对流冷却的传热系数高很多，因此在设计中引入纵向控制流，在不改变冷气流量和温度的前提下提升冷却效果。

2.2绕组对换热的影响

油浸式变压器中，绕组和铁心为发热体之一，绕组内油流自下向上运动,绕组表面对流换热满足以下准则方程：

式中Nu代表的是奴赛尔数，Gr代表的是格拉晓夫数，Pr代表的是定性温度下油的普朗特数。在温度变化时，变压器油的粘度随温度的升高而下降，空气的粘度随温度的升高而升高。而且液体的流动速度也在变化。为了提升冷却的效果，可以在绕组中增加挡板，或者减少绕组匝数增加导线截面积，这样油流在热浮力的作用下将沿着规定的路线流动，使得油与绕组的换热增强，从而降低负载损耗。

2.3绝缘材料的等级及其耐温能力对换热的影响

变压器所使用的绝缘材料的种类是多种多样的，不同的材料有着不同的耐温能力，当前油浸式变压器中用的材料都是A级绝

缘，耐温限制为105℃，温度达到105℃以上时，绝缘材料的力学性能就会变得脆弱，甚至后失去绝缘能力，根据实验结果，变压器内用的绝缘材料的的使用寿命可以用经验公式来表示：T=Ae一α θ （4）

式中T表示的是绝缘材料的使用寿命，A代表的是油浸式变压器的常数7.15 x 104，α代表的系数，为0.088 ; θ 表示的绝缘的温度。由式中可以发现，为了使绝缘正常损坏时期为20年左右，则绝缘的长期耐受的温度不宜超过90-95℃;同时温度每增加8℃左右，绝缘材料的使用寿命也将减少一半。

变压器内部的材料寿命受温度影响最敏感的部分是绕组的绝缘纸，当绕组最高温度超过 98℃时，绝缘纸将老化，从而威胁变压器的使用寿命。为了保证变压器的正常运行，就要把变压器的温升稳定在许可的范围内，通过改善变压器的冷却条件来控制变压器的温升范围。

2.4散热器位置对换热的影响

由于自然油循环变压器内冷却油的流动动力是热浮升力,所以冷却中心和散热中心的高度差对热浮升力的大小有影响。散热中心和发热中心的高度差越大,则热浮升力越大,油的流动性和油流量越大,散热性能越好,则变器的温升越低。反之散热中心的高度差越小,则热浮升力越小,油的流动性和汕流量越小,散热性能越差,变压器的温升值越高。为了提高冷却效果可将散热中心和发热中心的高度增大。

3　结语

变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，它将电压由低变高或由高变低。热性能作为影响变压器性能的一个重要因素，由于变压器单台容量的不断增大，变压器热故障也频繁发生，这对变压器的寿命产生了极恶劣的影响，同时也影响了电网系统的稳定性。因此有必要对变压器的热特性进行深入细致的研究，找出影响变压器热性能的因素，对这些关键因素进行控制，用以指导变压器产品设计，提高变压器的效率，延长变压器的寿命，这不仅节约了能源，而且减少了故障的发生，确保了变压器的合理、经济、安全的运行。

参考文献

[1]辛亚楠. 燃气涡轮复合冷却结构改进设计研究[D].哈尔滨工业大学,2011.

[2]魏月刚. 高压变频移相整流干式变压器冷却结构与设计[J].变压器,2010,04:16-17.

[3]唐志平,史建平. 一种新型变压器冷却系统智能监控装置的研究[J]. 变压器,2007,03:67-69.

Oil-immersed transformer cooling structure improvement research

Zhang Chengming
(The electrical inspection of Zhangjiakou power plant equipment department of Datang International Power Generation Co,075121)

Abstract：The oil-immersed transformer with good heat dissipation,low loss,large capacity,low price advantage has been widely used in electric power industry,however,the disadvantages of its cooling effect is not ideal also increasingly highlighted.This article simply expounds the principle of heating and cooling of oil-immersed transformer,this paper proposes the methods of optimizing the structure of cooling.

Keywords：Oil-immersed transformer;The cooling structure;The principle; methods