隔爆型干式变压器的散热优化及过载能力分析

赵小龙

（同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司信息中心， 山西 朔州 036000）

引言

干式变压器因容量大、效率高、负载高、适应能力强等优点被煤矿企业大量采用作为井下的变电设备[1]，但在实际使用中，矿用隔爆型变压器存在占用空间大、过载能力低等问题，因此必须对矿用隔爆型干式变压器进行散热优化，提高其热交换率，增强散热能力，提高变压器的可靠性和稳定性，为煤矿安全生产提供保障[2]。

1 矿用隔爆型干式变压器的散热过程

目前，煤矿井下采用大隔爆型干式变压器采用Nomex绝缘纸和浸渍保证变压器的绝缘性能。变压器的整体其实是内置于一个具有隔爆能力的密闭金属箱体内，热量可以通过热传导、对流和辐射三种方式进行传递。箱体内部的铁芯与高低压绕组会因为工作时存在铁损等而产生热量，这些热量首先通过金属导热传递到铁芯和绕组的表面，然后依靠对流和辐射作用将热量传递到箱体内的空气中，箱体内的热空气通过热传导、对流和辐射三种方式通过箱体传递到巷内的空气中。

2 矿用隔爆型干式变压器散热优化方案

根据热力学原理，热量的传递有热传导、对流和辐射三种方式。因此优化方案可以从增强热量的传递的或增多热量的途径考虑[3]。考虑到隔爆型干式变压器，可进行如下改进，以增强变压器的散热能力。

1）在变压器箱体内的底部安装一个轴流式冷却风扇，风扇可以给铁芯和绕组提供一个向上的风流，增强铁芯和绕组与箱内空气的热交换，保证在变压器运行时铁芯和绕组的温度不会过高，风扇的电源由防爆开关内的电源变压器提供。在箱体上增设一个可拆卸的钢化玻璃板，便于检修人员对变压器内部进行检查检修。

2）在变压器的防爆开关内增加一个温度测量及控制系统。在铁圈热点上设置一个热敏电阻，通过该电阻对绕组的温度进行监测，当绕组的温度过高时，控制系统就会控制风机启动或增大转速。该系统还可根据变压器的温度变化发出风机停止、报警和跳闸等指令。

3）在箱体内部表面波谷或波峰上通过焊接安装上尺寸为Φ20 mm的高压金属管，均匀地在内壁上焊接。留有1个进水口和1个出水口。进水口通过高压管路与井下的静压水管连接，出水口也通过另一根高压水管与静压水管连接。温度较低的静压水从静压水管中依次流经高压水管、散热金属管。箱体内的热空气会通过热传导、对流和辐射经过金属管传递到管内的水中。金属管内水的温度会升高，但是由于水处于流动状态，所以高温度的水会流出金属管，较低温度的水会补充进来。如此循环，不仅避免了箱体内温度的升高，还解决了箱体处于回风流中会向巷道中散发热量，导致风流温度升高的问题。

3 矿用隔爆型干式变压器性能分析

3.1 过载能力

煤矿井下常用的H级绝缘干式变压器的正常工作的最高温度为175℃，在采用自然循环时的内部绕组温升为80℃，变压器箱体的温升为45℃。变压器绕组、箱体的温升计算公式分别为：

变压器绕组温升计算公式：

式中：T1为变压器绕组的温升，℃；k为热点平均温度系数；Ta为空气自然循环时绕组的温升，℃；μ为负载系数。

变压器箱体的温升计算公式；

式中：T2为变压器箱体的温升，℃；Tb为空气自然循环时箱体的温升，℃；ε为额定容量运行倍数。

则绕组的热点温度计算公式为：

式中：T为绕组的热点温度，℃；Tp为环境温度，℃，取20℃。

通过比较绕组的热点温度与变压器的允许温度（175℃），可以判断改进后的隔爆型干式变压器的过载能力。

1）当变压器以1.5倍的额定容量运行时绕组的温升 T1=1.36×80×1.15=125.1℃；箱体的温升T2=45×1.5=67.5℃；绕组的热点温度T=20+125.1+67.5=212.6℃＞175℃。因此，当变压器以1.5倍的额定容量运行时，绕组会温度过高。

2）当变压器以1.4倍的额定容量运行时绕组的温升T1=1.36×80×1=108.8℃；箱体的温升T2=45×1.4=63℃；绕组的热点温度T=20+108.8+63=191.8℃＞175℃。因此，当变压器以1.4倍的额定容量运行时，绕组会温度过高。

3）当变压器以1.3倍的额定容量运行时绕组的温升 T1=1.36×80×0.862=93.8℃；箱体的温升T2=45×1.3=58.5℃；绕组的热点温度T=20+93.8+58.5=172.3℃＜175℃。因此，当变压器以1.3倍的额定容量运行时，绕组的温度处于安全温度范围内。根据计算结果，当环境温度为20℃时，改进后的变压器可以超过容量30%安全运行。

3.2 在额定容量下温升

当变压器以额定容量运行时，经过散热改进的变压器温升情况为：

变压器绕组温升计算公式同式（1）。

变压器箱体的温升计算公式；

则绕组的热点温度计算公式同式（3）

当变压器以额定容量运行时绕组的温升T1=1.36×80×0.51=55.5℃；箱体的温升T2=45℃；绕组的热点温度T=20+55.5+45=120.5℃。相较于改进前变压器在工作时绕组的温度（161℃），经过散热改进的变压器在工作时的温度降低了40.5℃，有效延长了变压器各部件的使用寿命。

3.3 对比分析

某矿的2 500 kVA、6 kV的变压器在进行散热改进后，经现场实测和理论计算得到变压器两种散热方式的相关性能表，如表1所示。由表中可知，经过改进后的变压器可稳定工作的容量提高到了3 250 kVA。而且变压器的体积得到控制，一方面减小了在巷道中占用的空间，另一方面可以减少因拉移变压器对巷道进行扩建所需的人力、物力和时间，提高了生产效率。

表1 变压器两种散热方式的相关性能对比表

4 结论

对隔爆型干式变压器在箱体底部加装散热风扇和箱体内壁散热水管，以增强变压器的散热速率，这种风冷与水冷结合的方式可以使变压器在超出额定容量30%的负荷下稳定运行。在变压器内加装一个温度测量及控制系统，不仅可以对变压器的工作温度进行监控，还可根据绕组的温度调整散热风扇的启停，避免电能的损失。经过改进的变压器工作时的温度降低了40.5℃，体积结构也得到了缩小，可靠性与稳定性得到了提高。