太阳辐射对变压器绕组热点温度的影响

赵振刚 刘 畅 张长胜

（昆明理工大学信息工程与自动化学院）

随着经济的发展，变压器在电网系统中的比重越来越大，变压器的安全运行变得十分重要［1］。昆明市地处我国西南方，每年4月用电需求量大，变压器负荷往往较大，且同时期处于一年之中太阳辐射最为强烈的干季［2］，有可能导致受太阳直射的变压器绕组的热点温度过高，进而影响变压器绝缘系统的寿命［3］。

国内外相关领域内的学者不仅采用公式计算得到热点温度，而且建立温度分布模型来探究变压器温升的情况，但这些研究大都没有考虑外部热源对内部温度的影响，一般都只考虑到环境温度［4］。简化的外部环境比较适用于室内变压器、太阳辐射不强且变化不大的区域，但在昆明市这样太阳辐射强烈的地区，忽略外部热源的影响会导致温度计算模型不够准确。

笔者依据昆明气象局观测到的太阳辐射量，建立变压器温度场计算模型，通过实验验证的方式比较太阳辐射对变压器绕组温度分布的影响。

1 变压器的热源和热量传递

变压器内部热源主要为绕组产生的电阻损耗、铁芯产生的涡流损耗和磁滞损耗。 仿真中的热源只考虑绕组与铁芯的负载损耗PL和空载损耗PC，则总损耗PT的计算式为：

油浸式变压器运行时，铁芯和绕组作为内部热源产生损耗并将热量传递到冷却介质变压器油中，在热传递的过程中，热量会以热传导与热对流为主、热辐射为辅的方式传递。 在变压器内部进行热交换时，铁芯与绕组温度迅速升高，将热量传递至表面，与变压器油之间产生温差，并以热对流的形式向变压器油传递热量。 变压器油的热量一方面通过箱壁以热辐射的方式直接向空气传递少量热量，另一方面变压器油流经散热器进行换热，冷却后从进油口重新进入油箱，形成外部油循环，通过散热片和油箱壁与空气进行对流换热，将大部分的热量传递至空气中。

外部热源即通过太阳辐射输入的热量，会快速提高变压器表面的温度，在油箱内部会与变压器油进行对流换热，在外部与空气对流和辐射进行散热。 当油流速度稳定后，变压器内部达到热平衡状态。

油浸式变压器热量传递途径如图1所示。

图1 变压器热量传递途径示意图

2 仿真模型的建立和测温实验

以云南某公司生产的10 000kVA、35kV油浸式变压器为研究对象， 运用流体力学仿真软件ANSYS CFX对变压器进行流固耦合仿真计算，通过对变压器进行室内直接测温实验来验证仿真模型的有效性。

以该型号变压器的实际参数进行三维建模，根据铁芯和绕组实际尺寸将铁芯定义为圆柱体，低压绕组围在铁芯外面处于铁芯和高压绕组之间，油箱和绝缘纸简化为无厚度面。

变压器绕组区域的结构和温度分布如图2所示。

图2 变压器绕组区域结构和温度分布

图3 变压器测温实验系统示意图

为了验证仿真模型的有效性，针对该油浸式变压器进行温升实验（图3），将光纤Bragg光栅温度传感器安装在绕组油道的垫块中以便精确测量绕组温升，水平垫块安装在测点位置垫起以确保绕组散热。 传感器布设在垫块内并留出传感器尾纤出口。 从上至下在绕组中共布设了5支温度传感器。

实验对不同高度的绕组进行了温度检测，结果见表1。

由于仿真计算的参数设置与实际变压器所处环境有一定差距，以实际变压器参数为模型的仿真结果与实验结果存在±2K的误差， 并且仿真得到的绕组温度整体分布趋势与实测结果基本一致，证明了该模型的有效性。

表1 绕组温升实验数据与仿真数据

3 考虑太阳辐射的仿真分析

运行中的电力变压器长期暴露在室外，受到由太阳辐射等带来的季节性温度变化以及局部温差的影响［5］。昆明市坐落在云贵高原中部，属于低纬度高原季风气候，日照时间长，根据昆明市1993～2016年各月太阳辐射量变化， 太阳辐射量最多出现在4月， 达到604.75MJ/m2， 之后慢慢减小；12 月 最 低， 只 有361.01MJ/m2， 二 者 相 差243.74MJ/m2，因此有必要在变压器热点计算模型中考虑热辐射的影响， 从而提高模型的预测精度。

到达变压器表面的太阳辐射功率是一个变化量，随季节和时间的变化而变化，并且太阳的辐射角度和辐射面也在不断变化。 对环境因素做简化， 假设变压器处于正午12点太阳直射下，太阳辐射的表达式为：

其中，Pt为到达变压器表面的辐射功率，ε为辐射系数，A为变压器辐射吸收面的面积，Ps为正午时分太阳辐射功率。

有效辐射面积A为变压器顶部面积（长（m）×宽（m））。辐射系数ε取决于表面材料和颜色，其同时影响辐射被吸收量和发射量，油箱外表面一般都是较深的颜色， 比较接近于理想化的黑体，同时相较于外部环境温度很高，因此对于变压器取值0.95。

以正午时分太阳辐射量最高的4月、 最低的12月和平均水平时的值为外部热源进行仿真分析，得到不同太阳辐射功率对绕组热点温度的影响，如图4所示。

图4 不同太阳辐射功率下绕组热点温度

由图4可以看出太阳辐射功率与热点温度成线性关系，热点温度预测拟合公式为：

无太阳照射时不存在因太阳辐射效应所引起的热点温度升高； 当加入太阳辐射影响之后，有太阳辐射模型的热点温度较无太阳辐射模型急剧升高，最高可达347.02K。 这在夏季变压器热点温度本已较高的情况下很容易出现超过允许温升的情况，对油浸式变压器的绝缘系统构成威胁。

在本项目研究的变压器热点温度最大变化为3.92K， 但是如果太阳辐射功率继续增加会使热点温度变得更高，对小容量变压器的绝缘系统影响会更大。

4 结束语

在没有太阳辐射的室内，变压器在额定功率正常运行状态下绕组热点温度为343.1K；在考虑外部输入太阳辐射时， 当太阳辐射功率达到766.54W/m2时，热点温度达到347.02K，较无太阳辐射时的热点温度高出3.92K。 同时通过不同太阳辐射功率下的绕组温度可知， 随着功率的增加，热点温度随之线性增长。 热点温度的升高将会影响绝缘系统的环境，进而减少油浸式变压器的使用寿命，因此太阳辐射对变压器温升的影响不可忽视。