油浸式变压器在不同冷却方式下的性能研究

2020-05-30马玉龙王永庆徐天光

机电工程技术 2020年4期

马玉龙，王永庆，朱超，张勇，徐天光，赵嘉

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710021；2.陕西科技大学机电工程学院，西安 710014）

0 引言

随着变压器容量的逐渐加大，涉及变压器绕组温升以及局部过热问题已经成为研究者日益关注的课题之一。尤其是对于变压器在运行过程中的热点位置及温度的确定至关重要[1-2]。变压器的冷却方式主要分为油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式。变压器在不同的冷却方式下绕组温升及热点分布均不相同。

国内外学者对变压器的绕组、热点以及整体油流温度场进行了一系列的研究，且已经获得了一些成就[3-4]，张喜乐[5]通过采用有限元法对换流变压器在不同的工况条件下，研究变压器的热点温度变化及绕组的损耗，得出变压器在非正弦工况下绕组的损耗是正弦条件下的2.6倍，且热点温度更高，位置更靠绕组上端。朱玉华[6]通过建立二维变压器模型，采用数值方法研究干式变压器在不同负载下的绕组以及铁芯的温度场分布规律，总结出变压器的底部散热效果优于顶部，两端散热优于中部，并且热点位于变压器低压绕组中上部。张萍[7]利用有限元法对一台油浸变压器进行绕组温度场的及热点温度的数值计算，并分析绕组结构对变压器温升以及热点位置及温度的影响，得出绕组内部油流速度越大，换热效果越好，且内外油道的宽度对绕组及热点的温度影响较大。江翼[8]通过建立变压器模型，利用有限元法研究变压器在不同负载情况下的温度场，并且研究了变压器在不同变压器油情况下的温度场分布，得出不同的变压器油在不同的负载情况下，变压器内部温升特性不同。虽然很多学者已经对变压器进行了内部流场及温度场的研究，但是大部分建立的是二维数学模型，误差比较大，而且不能准确表示变压器内部温度场及热点温度。

本文基于有限体积法，通过对大型油浸式变压器建立流固耦合模型，研究变压器在自然油和强迫油循环两种冷却方式下变压器绕组、热点温度分布情况，并研究两种冷却方式在油流量相同时，比较变压器绕组、热点的温度分布情况。研究结果可为变压器的安全运行以及冷却方式的选用提供实际帮助。

1 物理模型及数学模型的建立

1.1 物理模型的建立

大型油浸式变压器由油箱、铁芯、绕组、油泵、套管、散热器等组成，结构复杂，因此在建立三维模型时要进行简化处理，本文的研究对象是保定天威集团生产的SFSZ10-M-31500/110大型油浸式变压器，具体尺寸参数如表1、2所示，利用三维软件建立物理模型，如图1所示。

图1 变压器模型图

表1 变压器结构模型基本数据

表2 绕组参数

1.2 数学模型的建立

分析变压器流固耦合问题，其流固耦合场满足Navier Stokes方程组[9]。质量微分方程：

式中：u、v、w分别为x、y、z方向的速度分量；ρ为变压器油密度；Sx、Sy、Sz为源项；T为变压器油温度；∇为调和算子；p为变压器油压力；μ为运动黏性系数；k为导热系数；Q为微元生热量；c为比热容。

2 材料物理性质及边界条件的设定

在变压器模型中，绕组材料为铜，铁芯材料为硅钢，材料物理特性如表3所示。

在计算油浸式变压器内部流固耦合场时，变压器边界情况为固体壁面，与周围空气传热方式为对流换热，流固交界壁面为耦合壁面，变压器的初始温度为环境温度25℃。变压器绕组、铁芯损耗设为内热源，通过计算，高压绕组损耗为116.782 kW/m3，中压绕组为186.038 kW/m3，低压绕组为188.064 kW/m3，铁芯为10.594 kW/m3。因为变压器油的物理属性随着温度变化，所以在计算时应采用函数来表示温度对油物性参数的影响。

表3 材料物理特性

3 结果与分析

3.1 自然油循环温度场分析

在环境温度为25℃，变压器冷却方式为自然油循环冷却条件下，变压器内部低压绕组温度场分布情况如图2所示，由图可以看出，变压器绕组温度场分布呈阶梯状，底端温度低，沿纵向向上绕组温度逐渐升高，在绕组中上端温度达到最高，且B相绕组的温度要明显高于A、C相的温度。因此，绕组的热点出现在B相低压绕组上。

图2 低压绕组温度云图

图3所示为内部温度平面图，由图可得在同一水平线上，低压绕组的温度要高于中压和高压绕组温度，铁芯上轭温度高于下轭温度，绕组最热点出现在B相低压绕组中上端。铁芯最热点温度出现在中间芯柱上。

图3 铁芯、绕组平面温度云图

图4所示为变压器内部铁芯温度场云图，由图可知，变压器铁芯内部温度场分布与绕组温度场分布趋势相同，下端温度底，上端温度高，这是因为变压器油首先被铁芯、绕组等发热元件加热后，受热的油由于密度变小向上流动，下端油温较低，变压器油在浮力作用下向上流动过程中，油温逐渐升高，冷却效果逐渐下降。当变压器油上升到顶部时，通过散热器与外界对流换热，使得油温下降，在重力作用下向下流动，回到油箱底部，形成一个油流循环。

图4 铁芯温度场云图

为了定量分析及准确描述热点的位置，现取B相各绕组内外侧的母线进行分析，由于整个变压器呈轴对称，所以选取B相绕组左侧进行分析。如图5所示，由图可以直观看出，绕组温度都随着高度的增加而逐渐升高，低压绕组的温度最高，中压次之，高压最低。绕组内外侧同一水平位置处的温度基本相等。变压器内部热点处于低压绕组内侧中上端且位置保持不变，温度为345.85 K。

图5 绕组内外侧温度曲线图

3.2 强迫油循环温度场分析

在环境温度为25℃，变压器冷却方式为强迫油循环，入口油流速为0.6 m/s时，变压器内部低压绕组温度场分布云图及绕组温度曲线图如图6、7所示，由图可知，相较于自然油循环冷却绕组温度场，变压器内部绕组、铁芯温度也随着升高，绕组、铁芯整体温度分布趋势一致，都是底部温度低，顶部温度高，但强迫油循环变压器内部温度要低于自然油循环，达到稳态时，变压器绕组热点的温度为313.56 K，较自然油循环热点温度降低了32.29 K。

图6 强迫油循环低压绕组温度云图

强迫油循环变压器冷却效果与油流入口速度有关，如图8所示，环境温度为25℃，油流入口速度分别选取0.3 m/s、0.6 m/s、0.9 m/s、1.2 m/s，由图可以看出，低压绕组温度随着油流入口速度的增加而逐渐降低，当速度为0.6 m/s时，绕组温度达到最低，但当继续增加入口速度，绕组温度又开始上升最后达到一个稳定的温度值。所以当油流速度较低时，变压器的整体冷却效果达不到最优，油流速度过高时，不仅使得变压器的温度升高，而且还使油泵做功增加，经济花费再增加。所以在用强迫油循环冷却变压器时，应寻找一个最佳经济油速。

图7 强迫油循环绕组内外侧温度曲线图

图8 油流入口速度对强迫油循环冷却效果的曲线图

3.3 自然油循环与强迫油循对比分析

自然油循环与强迫油循环变压器内部结构相同，变压器用油也相同，所以，对于二者稳态时温度场的分析，应该是变压器入口体积流量相差不大时，经计算，当强迫油循环流油入口速度为0.46 m/s时，两种冷却方式变压器入口体积流量相差不大。如图9所示，表示的是环境温度为25℃，油流入口速度为0.46 m/s时，自然油循环和强迫油循环变压器内部低压绕组温度场分布对比图，由图可知，强迫油循环绕组的温度要明显低于自然油循环变压器绕组的温度，但温度场的分布趋势相同，且热点的位置相同，都位于低压绕组中上部，自然油循环热点的温度为345.17 K，强迫油循环变压器热点的温度为324.59 K，这是因为强迫油循环内部油流场扰动较强，对流换热激烈，所以从散热效果来看，在同等条件下，强迫油循环的冷却效果要强于自然油循环变压器的冷却效果。

图9 不同冷却方式下低压绕组温度场云图

由以上分析可知，当变压器在同等条件下，强迫油循环变压器的冷却效果要远强于自然油循环的冷却效果，所以当变压器内部绕组、铁芯温度较高的情况下，可以选用强迫油循环冷却的方法达到降温的效果，但是因为本文研究的模型变压器在两种冷却方式下，热点的温度都没达到变压器规定限值371.15 K，且强迫油循环由于油泵及其他相关设备会增加经济费用，所以综合考虑，使用自然油循环会更加经济合理。