油浸式电力变压器内部温度场及其绕组热点的数值计算研究

王从龙，曾 祺

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000）

0 引 言

在经济社会快速发展的过程中，电网企业的发展与革新发挥了十分重要的作用。油浸式电力变压器凭借自身具有较大容量、较好散热性能以及较低能耗等优势，被广泛应用在电网建设中，作为电网系统中的重要设备，其运行状态是否具有可靠性与电网整体的安全稳定有直接关系。

油浸式电力变压器运行过程中绕组温度的最高点称为绕组热点温度，热点温度过高会影响变压器设备的使用寿命，同时会造成额外的电力损耗，进而影响企业的经营效益。通过有限体积法分析油浸式电力变压器内部温度场及绕组热点，并探讨变压器在不同环境温度下运行工况变化时的热点温度，间接体现了变压器寿命延长方式与负载能力的内在联系，同时为油浸式电力变压器的热点研究和变压器设备日常运行维护提供了有价值的参考意见。

1 油浸式电力变压器传热方式

热对流、热传导以及热辐射是油浸式电力变压器内部主要的热量传递方式，变压器内部温度升高在油流系统中形成热虹吸效应，热量主要是在油流流动中以热对流的形式，借助于油流之间的温度差进行传递，进而通过热传导的方式将热量传至油箱的内壁和外壁，最后热量通过热辐射的方式散发到变压器周围环境中[1,2]。

热对流形式为：

式中，S1为对流换热过程中热量传递时所覆盖的表面积；ε为对流换热系数；T1和T2为热对流过程中的散热面和流体的实际温度。

热传导形式为：

式中，Φ2为单位时间内通过截面的热量；S2为截面的面积；h为热传导系数；θ1和θ1为热传导过程中传递介质的表面温度；L为热传导过程中的有效距离。

热辐射形式为：

式中，Φ3为两表面之间的辐射散发热量；S3为发生热辐射的实际有效表面积；t1和t2为辐射散热过程中两种介质的温度；γ为辐射介质的黑度；L0为黑体的辐射系数。

2 油浸式电力变压器内部温度场的有限体积法分析

2.1 油浸式电力变压器结构模型

鉴于油浸式电力变压器结构比较特殊，内部结构较为复杂，主要由套管、油箱、铁芯以及绕组等零件组成，如图1所示，在进行模型构建设计时需要进行简化[1]。在此以XX集团所生产的型号为SZ11-63000/110（110/10.5 kV）的油浸自冷式变压器作为主要研究对象，其相关数据如表1所示。

表1 油浸式电力变压器结构模型数据

2.2 变压器内部损耗分析

变压器能量的损耗多部分是由磁阻和电阻造成的，其中钢结构、绕组以及铁芯部分的损耗占据主要原因。变压器总损耗可表示如下：

式中，Pt表示变压器总损耗量的千瓦数；PNL表示空载损耗的千瓦数；PLL表示为负载损耗的千瓦数，其计算如下：

变压器负载损耗主要由直流损耗和杂散损耗两部分组成，其中杂散损耗为涡流和其他结构的损耗之和，Pde=I2Rde为绕组电阻发热产生的损耗千瓦数，涡流损耗千瓦数则用PEC表示，其他附件和变压器的损耗用POSL表示。空载损耗表示如下：

式中，P1和P2分别表示空载损耗中的铁芯磁滞损耗和涡流损耗；ζH表示磁滞损耗的系数；f和ζC表示电流频率系数和涡流损耗系数；Bm为磁通密度的最大值。

2.3 基于有限体积分析法的变压器模型

有限体积分析法依据变压器内部由热源向外不同的传热方式，同时分析能量、动量以及质量守恒定律的共同作用，对流体流动及温度场进行分析计算，也可称为控制体积法。该方法可以有效解决多场相互耦合问题，具体的计算方式是将计算区域分解成若干个微小单元，每个微小单元可分别解成温度和速度两个不同的变量。求解耦合的速度场和温度场如下：

在变压器内部热量传递过程中出现了相互耦合问题，满足于Navier Stokes方程。质量微分方程为：

式中，x、y、z分别为V、N、W的速度分量；J为变压器密度；θ表示变压器的油温度；Sx、Sy、Sz则分别表示源项；P为变压器压力；K为该设备的导热系数；K∇2为调和算子；c为变压器的比热容；Q为微元生热量；μ为运动黏性系数。

3 网格无关性检测及实例分析

3.1 网格无关性检测

网格准确性是通过在额定负载的情况下选取网格数量进行无关性检测来验证的，验证曲线如图2所示。图2中显示的网格数在3 000 000～4 000 000的某一点时，其铁芯温度及绕组处于平稳状态。为了使绕组和铁芯的计算更加准确，选用4 000 000～5 000 000的网格数量进行模拟最为合适。

3.2 实例分析

以实际110 kV油浸自冷式变压器运行监测数据为依据进行深入分析，其主要目的是为了验证计算模型的精确性和准确性。通过油浸式变压器三维温度场计算对绕组热点温度实施数据监测，并将监测数据与模拟数据进行比较，如图3所示。根据模拟及实验数据在不同环境温度下各项绕组热点和温度的相差数据可以看出，其各部分参数的平均误差在2.4%左右。该热点研究充分表明了其模拟效果为油浸式电力变压器今后的研发提供了有价值的参考意见[3]。

3.3 结果与分析

油浸式电力变压器周围环境与其运行状况存在密切联系，变压器的内部温度场的分布和绕组热点温度会受环境因素的影响。当环境温度为27 ℃时，正常负载情况下的变压器绕组温度呈现出阶梯状分布，顶部温度高，底部温度低，当变压器内部温度处于同一水平线时，其低压绕组的温度均高于高压及中压，此时绕组最热点则出现在低压绕组上部，为324 K。当环境温度保持一致，变压器负载率达到130%时，变压器的绕组热点温度达365 K，与平时正常负载情况下相比，超出了41 K，同时变压器内部温度与绕组温度的分布趋势相同，顶部温度高出底部温度。

当环境度温度为33 ℃时，变压器正常负载运行时，虽然各内部零件温度都在安全温度内，但设备整体温度偏高。通过设计实验验证变压器负载工况下的绕组损耗和内部温度场及绕组热点的关系。随着负载率的增加，热点温度急剧上升，变压器负载率达到130%时，变压器的绕组热点温度达386 K，导致热点温度急剧上升的主要原因是变压器运行时所产生的热量无法及时散出[4,5]。在这种温度环境下运行，过高的内部温度及热点温度会加速变压器的绝缘老化，缩短其正常运行年限。

4 结 论

基于有限体积分析法模拟计算110 kV油浸式电力变压器内部温度场和绕组热点，并分析其在不同环境温度和不同运行工况时的热点温度及其位置，得出以下结论。一是油浸式电力变压器在正常负载工况运行时，环境温度的变化会对变压器本身的散热产生影响，进而影响变压器内部平均温度和绕组热点温度的数值。二是变压器在额定工况运行时，随着变压器周围环境温度的升高，变压器的内部平均温度及绕组温度也会随之升高，但其内热点温度不会超过限定值。若变压器处于过载工况运行时，此时周围环境温度的升高会降低变压器本身的散热效率，进而导致热点温度达到甚至超过规定限值，变压器在这种环境下长时间运行会使得绝缘受到破坏，进而使得变压器出现故障或者缩短其使用寿命。三是油浸式电力变压器在不同工况下运行时，其内部温度场和绕组热点温度具有相似的分布趋势，内部温度会随着负载的增大而逐渐升高，绕组热点温度亦是如此。为了避免变压器在实际运行中因温度大幅度变化而对设备本身产生损害，需要通过实时监测获得绕组热点温度的数值，并采取适当的散热方式，以避免变压器绕组热点温度超过变压器正常运行的温度标准限值对变压器造成损害。