基于Flotherm的干式变压器散热研究

2021-05-11姚英姿胡良果

现代机械 2021年2期

姚英姿，胡良果

(施耐德电气上海研发中心，上海201203)

0 引言

干式变压器因体积小、噪声低、环保等诸多优点广泛应用于电力系统中。热特性是反映变压器运行状态和健康水平的重要指标之一，其热点温度直接影响变压器的绝缘老化速度，亦决定着变压器是否处于安全可靠运行状态[1-3]。广泛应用于工业领域的干式变压器，稳定性和可靠性要求高，一般要求使用寿命超过10年。如果机器运行过程中，突发故障或停机将导致严重生产事故和巨大经济损失。因此，在变压器设计时，权衡产品性能、尺寸、价格等因素，准确计算其内部温升，进而合理控制其分布和热点温升，满足标准要求是变压器安全、稳定和高效运行的关键[5]。

1 干式变压器温升传统计算方法

铁芯和绕组是干式变压器的重要组成部分，也是主要发热源。其中，绕组产生的损耗占总损耗的90%左右，因此变压器设计时应重点关注绕组温升。理论上，通过公式(1)可估算绕组的稳态平均温升[2]：

(1)

式中：τ为平均温升;P为功耗；α为表面散热系数，A为绕组表面积。

功耗一定的情况下，温升与绕组表面积和换热系数相关。绕组表面积和换热系数越大，温升越低。但增加绕组表面积和换热系数通常会导致产品尺寸和生产成本增加。因此，在产品设计时，需权衡多方面因素，选用切实可行的最优设计方案。此外，工程上也可以采用公式(2)估算绕组稳态平均温升[4]：

τ=Kqn

(2)

式中，τ为平均温升；K为经验系数，一般取0.26～0.66；q为表面热流密度；n为经验系数，一般取0.75～0.95。其中，经验系数K和n的值需根据变压器类型和实际情况进行修正。另外，内、外绕组通常散热条件不完全相同，也应根据实际情况调整经验系数。所以，绕组温升的工程计算方法很大程度上依赖于经验。

虽然运用理论和经验公式可以大致估算变压器的绕组温度，但无法保证结果的准确性，更无法确定热点位置，无法有效指导变压器热设计。

2 基于Flotherm的干式变压器热仿真

热仿真软件Flotherm功能强大，可实现从元器件级、PCB板和模块级、系统级到环境级的热分析。其专业稳定的求解器与网格技术，先进的动态可视化后处理技术，强大的自动优化及专业的数据库管理在热仿真领域应用广泛。

2.1 仿真模型

干式变压器一般安装在具有独立风道的机柜中，根据安装和散热方式可分为不同类型。本文重点研究风机位于柜顶，采用吸风冷却的立式变压器，如图1所示。干式变压器主要由铁芯、高压绕组、低压绕组、风桶等部分组成，如图2所示。在风机驱动下，气流从柜门进风口进入，经过风桶底部进入风道对绕组和铁芯进行冷却，最后受热后的空气通过柜顶风机罩排出。

图1 干式变压器柜结构图2 干式变压器结构

本文以某590 kVA变压器为例，运用Flotherm软件进行热仿真。该产品采用的绕组绝缘纸材料为Class C, 最高耐受温度为220 ℃。变压器表面油漆为class H级，最高耐受温度为180 ℃。考虑设计余量，设定绕组和铁芯的仿真最高温度限值为150 ℃。变压器铁芯由不同尺寸的硅钢片叠加而成，为方便建模将其简化成规则图形。变压器绕组由缠绕绝缘纸的铜棒环绕而成，为方便建模暂不考虑绝缘材料对散热的影响，将绕组简化成铜质圆环。变压器具体设计参数如表1所示。假设环境温度40 ℃，根据变压器三维模型和设计参数，建立简化仿真模型如图3所示。

表1 变压器设计参数

图3 变压器仿真模型

2.2 仿真结果

2.2.1 绕组热点

基于上述简化模型，通过软件仿真计算，得到变压器高压绕组、低压绕组和铁芯的温度分布，如图4、图5、图6所示。从图中可以清楚看到绕组热点及其分布，其中高压绕组和低压绕组的热点均出现在靠近风桶出口，大概1/4绕组处。低压绕组最高温度为114 ℃，高压绕组最高温度为93 ℃，两者均低于最高温度限值150 ℃。铁芯最高温度为68.6 ℃，远低于最高耐受温度。可见，本变压器产品完全满足散热要求，并且还存在进一步优化的可能。

图4 三相低压绕组温度分布

从上述仿真结果还可以看到，每相绕组沿铁芯轴向温度分布非常相似。为缩短仿真求解时间，可以考虑用单相绕组代替三相绕组进行求解。简化为

图5 三相高压绕组温度分布

图6 铁芯温度分布

单相绕组后的绕组温度分布如图7、图8所示。从结果看，单相绕组和上述三相绕组热点位置一致，并且最高温度也非常接近，温差在4 K以内。可见，变压器单相绕组简化模型能保证仿真结果的准确性，并能有效缩短建模和仿真求解时间，是一种经济有效的变压器仿真模型简化方法。

图7 单相低压绕组温度分布

图8 单相高压绕组温度分布

2.2.2 封板与柜体间隙对系统有效风量的影响

变压器安装到机柜中后，通常封板和柜体四周存在间隙，导致一部分气流从间隙穿过后直接排到柜外，造成气流短路。对变压器来说，只有通过风桶的气流是有利于系统散热的，即有效风量。本文将利用仿真软件进行流场仿真，分析封板和柜体间隙对系统有效风量的影响。同样以上述某变压器产品为例，仿真得到间隙分别为0 mm、10 mm、30 mm时的系统有效风量，如图9所示。

图9 封板与柜体间隙vs.有效风量

从图9可以看到，当封板和柜体间隙为0 mm时，变压器系统密封良好，此时有效风量为4610 CFM；当封板和柜体间隙为10 mm时，有效风量下降为3788 CFM，降幅17%；当封板和柜体间隙为30 mm时，有效风量下降为2745 CFM，降幅40%。可见，封板和柜体之间的间隙对有效风量非常敏感，特别是当间隙大于10 mm时，有效风量显著下降。因此，在变压器设计过程中，确保封板和柜体的良好密封对保证有效风量，提高散热效率具有重要意义。

3 干式变压器温度测量

变压器在线监控装置主要关注变压器运行参数和绝缘状况参数，而变压器热点温度是重点关注的参数之一[6-7]。为保证变压器运行的可靠性和稳定性，通常在变压器绕组上布置测温装置，实时监控其运行过程中的温度情况，当温度超过限值时触发预警或停机保护。

变压器属于高压设备，热电偶不能直接粘贴在绕组上测温。业内通常采用可以耐高压的PT100或光纤进行测温。由于光纤价格昂贵，大多数变压器产品首选PT100作为测温仪器。但为了达到耐压要求，PT100测温探头表面通常包裹有较厚的绝缘材料，如聚四氟乙烯。绝缘材料的导热性能很差，这将直接影响测温结果的准确性和灵敏性。

为了比较不同测温仪器的准确度和灵敏度，把光纤、PT100和热电偶同时布置到某热板上进行测温对比实验。通常热电偶的准确度和灵敏度较高，以此为基准对比PT100和光纤的测试结果，见图10。从图10可以看到，光纤与热电偶的测温结果非常接近，温差在5 K以内，而且温度跟随性也很好；PT100与热电偶测温结果差别较大，稳定后的温差在25 K左右，温度跟随性也很差。基于测试结果：光纤测温的精度和灵敏度都远远优于PT100，能保证变压器产品实时测温的准确性和灵敏性。如果一定要选用PT100作为温度仪器，建议考虑较大的设计余量以保证机器正常运行。