8000kVA超大容量感应调压器空载运行油温超温的原因分析研究

梁小云

摘要：油温是表征油浸式感应调压器散热效果和绝缘性能的重要指标，本文就某实验室油浸式感应调压器在空载运行时经常出现油温超温问题进行了分析，一方面，由于铁芯硅钢片片间绝缘损坏，造成表面短路使得涡流损耗急剧增加;另一方面，变压器油流速较慢，因热对流产生的散热效果较差，散热片的油循环速率较缓。通过分析并基于matlab仿真证实了损耗和散热是引起油温超温的主要原因。

关键词： 感应调压器;油温超标;涡流损耗;热对流。

0引言

油浸式感应调压器油箱中的变压器油起着绝缘、降温和灭弧作用，而油浸式感应调压器一般都采用A类绝缘，这就要求感应调压器运行时顶层油温不得超过85℃，否则会加速其绝缘老化速度，严重降低绝缘寿命[1]，从而带来安全隐患。为此，在感应调压器运行时需要實时监测顶层油温并设置超温预警，一旦其在负载运行时出现超温预警，能确保及时退出运行。

某电源系统中的8000kVA超大容量感应调压器型号为TYSA-8000/10.5，在空载工况下运行20min就触发顶层油温超温预警（70℃），其超温时感应调压器自身温度曲线如图1所示。

1感应调压器的电气原理及传热过程分析

1.1感应调压器的结构

如图2所示，感应调压器的结构可分为主体、冷却油箱及传动机构三大部分。其中，主体部分在结构上类似于绕线式异步电动机，只是其定、转子绕组除了磁场的耦合外，还有电的联系。铁芯的主要构件硅钢片采用冲片叠压工艺，为降低电磁噪声，机身采用整体铸铁结构;冷却油箱在结构上与一般电力变压器的基本相仿，周围的散热片是最主要的散热结构，变压器油可通过散热片实现循环自冷;传动机构采用手动和电动两用的蜗轮、蜗杆、传动电机和减速器装置，其作用是卡住转子，使其只能在0°～180°范围内转动。

1.2 感应调压器的调压原理

TM10感应调压器在能量转换关系方面类似于异步电动机与变压器的组合体[2]，其电气原理图如图3中的（a）图所示，由于三相绕组结构对称，为便于分析，下面以A 相为例进行具体阐述。如（b）图所示，定、转子绕组采用降耦星形连接，其中一次串联绕组W1c和一、二次公共绕组Wg置于定子上，二次串联绕组W2c置于转子上。正常工作时，当W1c和Wg接入一次电压U1（10kV）后，将在定、转子气隙中产生三相旋转磁场，该磁场以同步转速切割绕组W2c，从而产生感应电动势E2c，此时借助传动机构使定、转子产生相对角位移（最大为180°电角度），从而改变E2c与Ug之间的电角度θ，使负载电压实现300V～10.5kV的无级、平滑调节。

依图（c），空载输出电压U20计算公式为：

1.3 感应调压器热源分析

感应调压器在运行过程中产生的有功损耗以热能的形式发出导致内部温度升高，而感应调压器的内部热源主要为铁芯和绕组，其产生的损耗分别为铁耗和铜耗，故本文主要研究铁芯和绕组这两大热源来分析该感应调压器产热情况。

1.3.1 铁芯热源

感应调压器铁芯产生的损耗统称为铁耗（P0），主要由磁滞损耗（Pc）和涡流损耗（Pw）两部分组成[1]。其中，磁滞损耗是由于铁芯在反复磁化的过程中因磁滞现象而消耗的能量，计算公式如式3所示：

涡流损耗是由于抵抗磁通的变化，所产生感应电流消耗的能量[1]，计算公式如式4所示：

由公式3、4可知，铁心热源的产热情况与硅钢片的材质和加工工艺等息息相关，硅钢片的优劣直接决定了运行时铁芯发热量的高低。

1.3.2 绕组热源

感应调压器铜耗是由于电流流过感应调压器绕组时因绕组发热而产生的损耗，计算公式如5、6所示：

由式5可知，绕组热源的产热情况相对固定，在环温和负载一定的情况下只与绕阻阻值的大小有关。

1.4 感应调压器传热过程分析

感应调压器运行时，热源开始产热，感应感应调压器本体迅速升温，热能以传导的方式释放到油箱中，热源附近的变压器油因局部温度升高而使其密度变小，此时由于油箱中温度分布不均，变压器油因密度差异开始流动，密度小的不断上升，从而顶层油温持续升高。此时，油箱内部一方面以热对流的形式交换热量，一方面通过散热片进行循环散热，将热量传导到外界空气中。这样，经过一段时间后，油箱内部将达到热平衡，油温仅在小范围内波动。由此可见，油浸自冷感应感应调压器的热传递过程主要涉及到三种传热方式，分别是热传导、热对流和热辐射。相比之下，感应调压器中的热对流对油温的影响最大，所以本文从热对流过程入手分析。

依图4（a）图所示，大致反映了油箱内相对位置与油温的关系[1]。图中，A为油箱顶层油温，C为油箱底层油温，B为油箱内平均油温，可见，在感应调压器运行时顶层油温最高，因此要时刻监视顶层油温，只要确保顶层油温不超过限值，油温便不会超温。（b）图则大致反映了油温变化过程，首先油温会快速升高，短时间内达到较高温度，然后上升速率会趋于平缓，最后则达到热平衡，油温基本维持不变。

2感应调压器在空载运行条件下的损耗分析

2.1.1 空载损耗分析

理论上，由于空载电流较小，在一次绕组中产生的电阻损耗可忽略不计，所以空载输入功率可认为基本上是供给铁芯损耗的。通过测量，发现感应调压器的空载电流为46A，而空载损耗为61kW。铁耗产生的热量通过热传导的方式在使铁芯升温的同时大部分释放到了油箱中，使油温升高。根据公式7，可以计算出空载运行时在未达到热平衡之前，每小时油温升高的度数。

即在未达到热平衡时的快速升温阶段，假如不考虑散热，空载运行1h油温将上升26.7℃，实际上，根据图1中的（b）图可知，油温1h只上升了22℃，说明空载运行时在未达到热平衡时的快速升温阶段，通过内部热对流及散热片散热每小时仅降低油温4.7℃。

2.1.3 Matlab仿真分析

根据感应调压器测量得到的绕组参数值（一、二次绕组阻值均为0.02Ω，0.30H），利用Matlab中的Simulink仿真平台搭建模块进行仿真。同时，为了便于仿真分析，假设定、转子绕组匝数相同，且相对电角度为180°，此时公共绕组与二次绕组同轴，空载输出电压最大。图6～图9为仿真电路及波形数据。

仿真结果分析：通过仿真，可知TM10空载运行时空载电流为42A，空载损耗为60.851kW。这与测量值基本相同，说明TM10仿真模型与实际大致相符。

4 结论

本文通过研究8000kVA/10kV感应调压器的空载油温超标问题，得出结论：大容量感应调压器空载油温超温是由空载损耗过大引起的，而空载损耗往往是由铁耗决定的;对于油浸自冷感应调压器，负载运行时油的流速慢，热对流及散热片循环冷却产生的散热不好。是空载损耗温度超温的主要原因。

参考文献

[1]郭若琛.分体式冷却变压器温度场有限元分析与散热影响因素研究[D].山东大学，2018：26-34.

[2]吴杰康，詹厚剑，祝宇楠等.三相感应调压器的数学模型与仿真[J].变压器，2008，45（6）：10-16.

[3]张安红.电力变压器的损耗研究与优化设计[D]，湖南大学，2005：4-12.