基于Fluent的植物绝缘油配电变压器温度场有限元仿真分析

韦玮, 李鑫,徐晓刚,汪进锋

(1. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉430072；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



基于Fluent的植物绝缘油配电变压器温度场有限元仿真分析

韦玮1, 李鑫2,徐晓刚2,汪进锋2

(1. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉430072；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

为研究FR3植物绝缘油配电变压器运行时的温度场分布，应用热工学和流体力学原理分析了配电变压器内部热传导及散热机制，并且基于ANSYS的Fluent模块建立了该配电变压器温度场的仿真分析三维模型。采用有限元法求解该模型的流体-温度场，得到配电变压器的整体温度分布趋势及最热点温升。基于该模型分析对比了FR3植物油与普通矿物油对变压器热点温度及绕组温升的影响，结果表明：虽然植物油黏度大，散热性不如矿物油，但也能满足实际工程中配电变压器温升限值要求，因其燃点高、易降解的优点，未来在变压器领域可能会替代矿物油。

植物油；配电变压器；流体-温度场；热点温度；有限元；Fluent

矿物绝缘油是目前油浸式配电变压器(以下简称“配变”)中最广泛采用的绝缘材料(采用矿物绝缘油的变压器占油浸式变压器总量的99%以上)，其燃点和闪点低，降解时间长，环保性能差，这将制约油浸式变压器今后的发展[1]。随着技术的不断完善，植物绝缘油变压器开始投入运行，由于其优良的电气绝缘性能和理化性能，将来可能会成为变压器绝缘油的主力[2]。温升指标是变压器设计及运行中非常重要的性能参数，当热点温度超过温升限制时，会加速绝缘老化，缩短变压器寿命，影响变压器运行[3-4]。植物油与传统矿物油相比，导热系数较大，黏度大，会对整个绝缘系统的散热产生重大影响。因此研究植物油对变压器散热及温度场分布的影响，为绿色绝缘系统配变的设计与改进、植物油理化特性的改善等提供依据，具有重要的工程意义。

随着以有限元为代表的数值仿真计算的发展，国内外对于电气设备的温升计算越来越多地采用数值计算方法[5-7]。目前，对变压器温度场的研究多采用流体-温度场耦合的数值计算模型。文献[8-10]利用Fluent和ANSOFT对传统油浸式电力变压器的二维模型进行温度场仿真分析；文献[11-13]利用ANSYS对传统油浸式电力变压器的电磁场及温度场都进行了三维仿真分析，并与经验公式的计算结果相对比。目前对植物绝缘油配变温度场仿真分析还少有研究，文献[14]利用Fluent对不同绝缘油的电力变压器进行仿真分析，但是没有将植物油与矿物油的黏度差异而引起流速不同的因素加以考虑。本文以10 kV/400 kVA配变为例，建立三维有限元仿真模型，应用ANSYS中Fluent模块的Boussinesq模型对FR3植物绝缘油配变的油流场、温度场进行仿真分析，仿真结果满足工程上的要求；在相同的结构及热源下，对比分析矿物油和植物油对配变油流速度、温升及温度场分布的影响。

1 植物油配变有限元计算模型

1.1 配变三维简化模型

本文以400 kVA自然油循环冷却配变为原型，建立三维流体-温度场仿真模型。变压器主要参数：低压侧绕组额定电压为0.4 kV；绕组为层式结构，共2层，每层厚度11.25 mm，内半径为138 mm，外半径为191 mm；油道宽度为4 mm。高压侧额定电压为10 kV；绕组共13层，每层厚度1.82 mm，内半径为208 mm，外半径为278 mm；4层与5层间是全油道，8层与9层间是半油道，油道宽度为4 mm。变压器铁心采用23Q90型硅钢片，铁心重709.4 kg。变压器油箱的尺寸为0.96 m×0.54 m×1.02 m。材料为Q235A钢板，厚度为4 mm。三维配变仿真模型如图1所示。

图1 三维配变仿真模型

1.2 网格剖分

网格剖分的质量与数量对计算结果有很大的影响，质量高、数量大可以提高计算的精度，但数量过大又会影响计算的速度。因此在设置网格单元类型和单元尺寸时应合理把握[15]。

因变压器绕组与铁心壁面边界层的法相速度梯度和温度梯度大，壁面附近流动阻力也较大，故该区域是影响计算结果的关键区域，对该区域网格的剖分至关重要。利用软件Hypermesh对模型的面网格进行剖分，网格大小最大15 mm，最小2 mm，网格数量共4 424 497。利用ANSYS中的icem cfd模块对体网格用四面体进行剖分，网格数量共2 036 268。网格剖分图如图2所示。

图2 网格剖分

1.3 基本假设与边界条件

应用Fluent计算变压器温度场时，首先做了如下假设[16]：

a)稳态——当发热与散热达到平衡时，绕组、铁心等各部件以及油流的温度速度分布不随时间变化。

b)常物性——固体所用材料密度、比热容、导热系数以及油的黏度都为常数。

c)单位热源分布均匀，并且为常数。

d)环境温度为常数20 ℃。

e)变压器的散热面积为油箱有效散热面积与散热片有效散热面积总和。

由于流体内部存在温度差，使得流体各部分密度不同(温度高的区域密度小，流体必然上升；温度小的区域密度大，流体必然下降)，从而引起流体内部的自然对流。Fluent中可以采用2种方法进行模拟，一种是定义密度法，一种是通过Boussinesq模型计算。对于密度随温度变化不大的液体介质，一般采用Boussinesq模型来计算以加快收敛速度，迭代了82 000多次以后，计算结果收敛。

1.4 计算方法

配变热源包括铁心损耗、线圈损耗及漏磁场在金属构件上产生的涡流损耗，绝缘材料如纸板和绝缘油也有介质损耗的产生。其中线圈损耗和铁心损耗是变压器的主要热源。油浸式配变达到热平衡的一般过程也分为3个方式：一是通过热传导作用，热量从变压器铁心和绕组的中部传递到其外表面；二是通过对流换热作用，热量从变压器铁心和绕组的外表面传递到变压器油及油箱壁；三是通过对流换热及辐射散热作用，热量从油箱壁传递到空气中[17]。对于不可压缩的理想流体，变压器油在油箱内的流动及分布特性符合质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，如式(1)至(3)所示[18]：

(1)

(2)

(3)

2 植物油配变仿真计算与分析

2.1 热源计算

流体-温度场仿真中，假设外部环境温度为20 ℃，对配变的绕组按油道分层处理。变压器发热部件主要是高压绕组、低压绕组及铁心，假设热量分布均匀，并且为常数，各部件损耗为Q，体积为V，则在变压器温度场计算中，对发热体施加的体积热量为q=Q/V。可以通过相关经验公式及厂家提供的数据，计算各部分发热体的损耗[14]。

由表1可知，低压绕组热流密度最大，高压绕组产热总量最多。

表1 变压器主要热源

热源体积/dm3热量/W热流密度/(W·m-3)高压绕组50.044160532072低压绕组28.344153254050铁心95.6723803972

2.2 仿真参数的设定

变压器流体温度场常采用有限元分析软件ANSYS中的Fluent模块进行求解。仿真参数的设定将直接影响仿真结果的准确性，表2列出了仿真过程中FR3植物绝缘油的关键参数，并与常用矿物油作比较。由表2数据可以看出，FR3植物油的密度、黏度、比热容和热导率均大于常用矿物油，黏度是常用矿物油的6倍，热膨胀系数相同。

表2 FR3植物油与矿物油物性参数

物性FR3植物油矿物油密度/(kg·m-3)920890运动粘度/(mm2·s-1)33.35.5比热容/(J·kg-1·K-1)18801838.5热导率/(W·m-1·K-1)0.170.13热膨胀系数/K-17×10-47×10-4

2.3 油流场的分布

绝缘油流动速度将直接影响配变的散热从而影响温升。图3给出了z轴0位置(z=0)截面的FR3植物油配变内部油流场速度矢量分布。

图3 z=0截面的FR3植物油配变油流场速度矢量分布

根据流体力学可知，流体一般是从低温处流向高温处，从密度大的区域流向密度小的区域。结果显示，绕组及铁心底部的油流速度大于绕组及铁心端部，绕组层间垂直油道底部油流速度最大，最大流速为20 mm/s。绝缘油从油道从下往上流动，由于绝缘油与油箱壁及铁心表面附近有摩擦力，油流速度明显下降。经软件计算，配变内部整体平均流速为12 mm/s，满足配变在工程上的要求。

2.4 温度场的分布

从热量传播的过程可知，配变内部各部位的温度不仅与绕组、铁心等发热源产生的热量大小有关，而且还与热源周围的散热条件有关，不同部位温度不同。

图4(a)为三维绕组及铁心温度分布云图。由图可知，铁心最高温度在低压绕组接近端部的区域。这是因为低压绕组的平均体积热量大，油从下往上流动，流速减慢，上部散热会稍差。低压绕组最高温度为346 K，最热点温升值为52 K，能够满足GB 1094.2—2013《电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升》中油浸式变压器绕组平均温升小于65 K的规定。低压绕组温度最热点位置大概在绕组沿高度方向的70%处，沿幅向则位于绕组厚度(自内径算起)1/3处，与经验值一致。整个植物油配变的绕组的平均温升为50 K，满足工程上的要求。

(a)三维绕组及铁心

(b)绕组及铁心横纵截面图4 植物油配变温度分布

图4(b)为绕组及铁心横纵截面温度分布云图。由图可知，自铁心至绝缘油的幅向温度先增大后减小，铁心靠近低压绕组侧处温度最高；油道附近的绕组温度略小，这是因为油的流动会带走一部分热量；轴向温度自上而下呈递减趋势。

3 矿物油配变仿真计算对比分析

3.1 矿物油配变仿真模型

利用第1章所建立的配变仿真模型，设置同样的外界条件，施加同样的热源，将植物油的相关参数替换成矿物油的，再次进行仿真计算，仿真参数变化见表2。

3.2 油流场分布及对比分析

图5为z=0截面的矿物油配变内部油流场速度矢量分布图。结果显示，同样的仿真条件下，矿物油流速最大值为20 mm/s，平均流速在14 mm/s左右，散热效果较好。

图5 z=0平面的矿物油配变内部油流场速度矢量分布

矿物油配变油流场分布整体趋势与植物油配变相同。绕组层间油道下部流速大于油道上部，油道中绝缘油流速较小，从油道自下往上流动，带走热量；油箱壁及铁心附近流速减缓；低压绕组层间油道的绝缘油流速略大于高压绕组。由于矿物油黏度远小于FR3植物油，因此流速较植物油更大，平均流速相差2 mm/s。

3.3 温度场分布及对比分析

图6为矿物油配变三维模型截面温度分布云图。铁心最高温度仍在低压绕组接近端部的区域，沿高度方向的70%处，沿幅向则位于绕组厚度(自内径算起)1/3处，最热点温度为326.5 K，比植物油配变的最热点温度低20 K。图中明显可以看出，变压器内部上端温度比下端温度更高。

图6 矿物油配变温度分布图

为了更直观地看出植物油配变和矿物油配变温度变化的差异，分别作出V相绕组沿轴向(y轴)及幅向(z轴)2条曲线，将温度数据导出，用Origin软件分别画在2个曲线图上进行对比，如图7的(a)、(b)所示。从图7可以明显看出，植物油配变各位置温度都比矿物油配变的温度高十几开，但是总体分布趋势基本一致，最热点温度在V相绕组靠顶端的位置。

(a) y轴

(b) z轴图7 2种配变V相绕组沿轴向温度变化

表3为植物油配变及矿物油配变各部分平均温升及最高温度对比。从表中可知，植物油配变温度整体比矿物油配变温度高。其中，低压绕组部分温度最高，温度差异最大，平均温升最多相差20 K；绝缘油部分温度较低，温度差异相对较小，为12 K；2种配变温升均满足GB 1094.2—2013《电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升》中的规定，植物油配变对变压器散热设计要求更高。

4 结论

本文基于ANSYS中的Fluent模块对400 kVA自然油循环配变建立流固体耦合仿真模型，分别对FR3植物油及传统矿物油2种绝缘油配变进行数值仿真计算及分析，得出以下几点结论：

a)额定负载下，植物油配变的温度场分布趋势与矿物油配变的温度场分布趋势一致，最热点温度在V相低压绕组沿高度方向的70%处，沿幅向位于低压绕组厚度(自内径算起)1/3处。

b)在同一个模型及热源条件下，相对于矿物油，FR3植物油由于黏度较大，油流速度较慢，平均流速慢2 mm/s，因此热对流性差；相对于矿物油配变，植物油配变绕组最热点温升高20 K，绕组平均温升高17.7 K。绕组及铁心附近自下往上油流速度逐渐下降，温度逐渐升高。

c)虽然植物油配变的温升比矿物油配变温升略高，但是也能满足GB 1094.2—2013《电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升》中的相关规定，验证了植物油替代矿物油作为绝缘介质的可行性，由于其环保的特性，未来具有很好的发展前景。

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(编辑 霍鹏)

Finite Element Simulation for Temperature Field of Vegetable Insulating Oil Distribution Transformer Based on Fluent

WEI Wei1, LI Xin2, XU Xiaogang2, WANG Jinfeng2

(1.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In order to study temperature field distribution of FR3 vegetable insulating oil distribution transformer in operation, this paper applies thermal engineering and principles of fluid mechanics to analyzes internal heat conduction and heat dissipation mechanism of the distribution transformer, and establishes 3D simulating analysis model for temperature field of the transformer based on Fluent module of ANSYS. Finite element method is used for solving fluid temperature filed of this model and getting the overall temperature distribution trend and the hottest spot temperature rise of the distribution transformer. On the basis of this model, it also compares and analyzes influence on hot spot temperature and winding temperature rise by FR3 vegetable oil and common mineral oil. Results indicate although vegetable oil has higher viscosity and worse heat dispersion compared with mineral oil, it can meet requirements for temperature rise limit of the distribution transformer in actual engineering. Due to its advantages such as having high ignition point and being easily degradable, the vegetable oil is probably to take place mineral oil in the field of transformer in future.

vegetable oil; distribution transformer; fluid temperature field; hot spot temperature; finite element; Fluent

2016-06-13

中国南方电网有限责任公司科技项目(GDKJQQ20152010)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.021

TM411;TB115

A

1007-290X(2016)10-0121-06

韦玮(1993)，女，广西贵港人。在读硕士研究生，研究方向为配网设备与运行。

李鑫(1984)，男，河南郑州人。高级工程师，工学硕士，主要从事高压电力设备试验、配网设备运行分析、配网防雷技术相关工作。

徐晓刚(1982)，男，江苏江阴人。高级工程师，工学硕士，主要从事配网设备运行管理相关工作。